Размещено на http://www.allbest.ru/

НАГНЕТАТЕЛИ И ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ



Общие сведения и классификация нагнетателей

Нагнетатели - устройства, преобразующие механическую работу в кинетическую и потенциальную энергии подвижной среды.

Типы нагнетателей:

· компрессоры;

· вентиляторы;

· насосы.

Двигатели - машины, преобразующие какой-либо вид энергии в механическую работу.

Существуют 5 типов двигателей:

1. паровые машины;

2. паровые турбины;

3. газовые турбины;

4. реактивные двигатели;

5. двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

Турбина - двигатель, преобразующий в механическую работу кинетическую энергию подводимого рабочего тела, в качестве которого используют пар, газ, воду.

Рабочий поток воздействует на лопатки, закрепленные по окружности ротора турбины, тем самым приводит ротор в движение.

По принципу действия турбины делятся на: активные и реактивные.

По конструкции турбины делятся на одноступенчатые и многоступенчатые.

Также бывают турбины стационарные и транспортные.

В качестве отличительных признаков при классификации нагнетателей используют:

1. тип среды;

2. устройство для перемещения капельных жидкостей (насосы).

3. устройство для перемещения газообразных средств (вентиляторы и компрессоры).

Для вентиляторов степень повышения давления составляет ? ? 1,15, а для компрессоров ? > 1,15.

Компрессора в отличие от вентиляторов требуют искусственного охлаждения рабочих полостей.

Классификация нагнетателей

1. По принципу действия нагнетатели делятся:

· объемные;

· лопастные.

В объемных нагнетателях давление повышается за счет непосредственного сжатия жидкости, а в лопастных давление повышается за счет скручивания потока жидкости. Объемные нагнетатели, работающие при поступательном движении рабочего тела относят к поршневым. А те нагнетатели, которые работают при вращательном движении рабочего тела относят к пластинчатым и зубчатым.

2. Все лопастные нагнетатели, работающие при вращательном движении рабочего тела, разделяют на:

· центробежные;

· осевые;

· вихревые.

3. В зависимости от вывода нагнетатели делят на:

· электрические;

· пневматические;

· ручные;

· паровые.

4. В зависимости от соединения нагнетатели делятся:

· одно- и многоступенчатые;

· параллельные (двойного всасывания).

5. Для перемещения нагретых жидкостей насосы делят на сетевые и конденсаторные, а вентиляторы преобразуют в дымососы.

6. Для превращения агрессивных сред насосы делятся на бензиновые и кислотные, а вентиляторы защищают от взрыва и коррозии.

нагнетатель кинематика жидкая среда центробежный

Основные виды и области применения нагнетателей

Поршневой нагнетатель

В цилиндрическом корпусе плотно размещается поршень. При движении поршня в одну сторону через всасывающий клапан жидкость всасывается, при движении в обратную сторону через нагнетательный клапан жидкость вытесняется. К достоинствам поршневых нагнетателей относят высокий коэффициент полезного действия (КПД), возможность создания высокого давления, независимость производительности от противодавления. К недостаткам относят громоздкость; затруднительность соединения с электродвигателем; сложность регулирования и не равномерность подачи из-за наличия клапанов. Поршневой нагнетатель используется в качестве насосов и компрессоров.



Пластинчатый нагнетатель

В цилиндрическом корпусе эксцентрично расположен ротор с выскальзывающими пластинами, которые прижимаясь к внутренней поверхности корпуса, вытесняют жидкость через нагнетательный патрубок и одновременно засасывают жидкость через всасывающий патрубок, обратное перетекание жидкости предотвращается из-за минимального зазора между ротором нагнетателя и его корпусом. К недостаткам пластинчатого нагнетателя относят низкий КПД, так как существуют потери через торцевые зазоры, а также потери на трение пластин, быстрый износ пластин. К достоинствам можно отнести компактность, простоту конструкции, отсутствие клапанов, реверсивность, независимость передачи от гидравлического сопротивления сети. Применяется в качестве насосов и компрессоров.

Зубчатый нагнетатель

В открытом с двух сторон плоском корпусе с минимальным торцевым зазором располагается пар сцепленных между собой шестерен. При вращении зубья захватывают жидкость и переносят ее из стороны всасывания в сторону нагнетания, не пропуская обратно жидкость благодаря минимальному зазору между зубьями. Одна из шестерен приводится в движение электродвигателем, который расположен с ней на одной оси, а вторая получает вращение от первой. Достоинства и недостатки схожи с пластинчатым нагнетателем. Используется зубчатый нагнетатель в качестве насосов для перекачки вязких жидкостей и реже в качестве компрессоров.

Вихревой нагнетатель

В цилиндрическом корпусе между двумя патрубками расположен ротор с выступающими рабочими лопастями. Между концами лопастей и корпусом образуется кольцеобразная полость, которая перекрывается между патрубками перемычкой. При вращении ротора жидкость захватывается и переносится по окружности к другому патрубку. При этом сжимается из-за неоднократного перетекания из полости на лопасть и обратно. Используются вихревой нагнетатель в качестве насосов. К достоинствам относят реверсивность, простоту конструкции, создание высокого давления. Недостатком является низкий КПД.



Осевой нагнетатель

Рабочее колесо машины состоит из втулки к которой прикреплены профилированные лопатки, которые устанавливаются под углом к плоскости вращения. Рабочее колесо установлено в корпусе при вращении рабочего колеса жидкость подтекает к лопаткам, проходит между ними и уходит с рабочего колеса. Траектория движения потока практически параллельно оси вращения рабочего колеса. К достоинствам относят компактность, простоту конструкции и высокую производительность. Недостатком является низкое давление. Используют осевой нагнетатель в качестве вентилятора, насоса и компрессора.

Центробежный (радиальный) нагнетатель

В корпусе размещается рабочее колесо, закрепленное на валу нагнетателя. Вал соединен с электродвигателем. Через всасывающий патрубок жидкость заходит в корпус нагнетателя, в котором разворачивается на 90⁰ проходит между лопастями рабочего колеса и попадает в пространство между колесом и корпусом. Пройдя по спирали, жидкость выходит из корпуса через нагнетательный патрубок. Достоинством центробежного нагнетателя является высокая производительность. К недостаткам относят громоздкость, сложность монтажа к трубопроводу. Используют центробежный нагнетатель в качестве вентилятора, насоса, компрессора.

Прямоточный нагнетатель

Перемещаемая среда сначала движется в осевом направлении и поступает во вращающееся рабочее колесо. Под действием центробежных сил среда проходит в радиальном направлении в межлопастном пространстве, поворачивается на 90⁰ и выходит по кольцу через радиальный лопастной диффузор. Достоинством прямоточного нагнетателя является компактность. К недостаткам относят небольшой КПД и малую производительность. Используют прямоточный нагнетатель в качестве вентилятора, насоса.

Смерчевой нагнетатель

Рабочее колесо с небольшим числом лопаток, прикрепленных к заднему диску, вращается, тем самым возникает вихревое течение в центральной и периферийной частях такого нагнетателя возникает перепад давления создающих движение потока. Достоинства и недостатки схожи с прямоточным нагнетателем. Используют смерчевой нагнетатель только в качестве вентилятора.

Основные законы

В гидроаэродинамике термин «жидкость» применяют и к легко сжимаемым газообразным веществам (пар, газ), и к мало сжимаемым капельным веществам (вода, масло). Жидкости изменяют свое состояние и свойства при смене внешних условий. Вода при нормальном атмосферном давлении и уменьшении температуры ниже 0 ⁰С превращается в лед, несколько расширяясь в объеме, соответственно при 100 ⁰С и выше вода испарятся. При уменьшении давления температура парообразования снижается. Газы при известных условиях могут быть снижены или приведены до твердого состояния. Капельные жидкости по сравнению с газообразными имеют большую плотность, которая практически не зависит от давления и при уменьшении давления на 1Мпа объем воды увеличивается всего на 0,5%. Также плотность капельных жидкостей практически не зависит от температуры. Для воды повышение температуры от 0 ⁰С до 100 ⁰С приводит к увеличению объема не более чем на 4%, но и этого достаточно для создания естественной циркуляции теплоносителя в простых системах центрального отопления (без насосов).

Плотность газов существенно зависящих от температуры от температуры от давления подчиняется уравнению pV = RT. Плотность газов в малой степени зависит от их влажности. При увеличении относительной влажности, которая определяется отношением парциального давления содержащихся водяных паров к их парциальному давлению при полном насыщении с 0,5 до 1. Плотность газов при обычной температуре уменьшится не менее чем на 0,5% , поэтому влажность газов при пересчетах обычно не учитывают. Помимо плотности жидкости характеризуется вязкостью, то есть силами внутреннего трения, возникающие при её движении. Коэффициент кинематической вязкости воды при нормальных условиях равен , а для воздуха . Используя данный коэффициент и зная геометрический размер трубопровода, находят характер движения жидкостного потока по формуле Рейнольдса .

При работе нагнетателей всегда поток турбулентный. Капельные жидкости в отличи от газов обладают капиллярностью, то есть свойствами подниматься или опускаться по капиллярным трубкам. Происходит это под действием сил поверхностного натяжения между молекулами жидкости и твердого тела. Подъем жидкости происходит в том случаи когда жидкость смачивает поверхность трубки, прилегая к ней, вода и спирт поднимается по капиллярным трубкам. Если смачивание трубок не происходит, то жидкость опускается по трубкам, как в случаи с ртутью. Поверхность жидкости в капилляре называется мениском.

Существуют 3 основных закона, по которому работают нагнетатели.

1. Закон сохранения массы. Выражается уравнением неразрывности или сплошности потока.

Масса жидкости проходящая через каждое сечение канала в единицу времени есть величина постоянная.

Где М - массовый расход, кг/с; Q - объёмный расход, м³/с; F - площадь поперечного сечения канала; - плотность жидкости кг/м³. - средние скорости потока жидкости, м/с.

При ламинарном режиме: а при турбулентном режиме ^:.

Термин «расход» применяют к трубопроводу или потребителю, а термин «подача» к нагнетателю.

2. Закон сохранения энергии. Выражается уравнением Бернулли( для идеальной несжимаемой жидкости).

где Н - полный напор, м.

- динамический (скоростной) напор, выражает запас кинетической энергии единицы веса жидкости.

- пьезометрический напор, который выражает запас потенциальной энергии, связанный с давлением.

Z - геометрический напор, который показывает высоту отсчитываемую от условной отметки.

Неразрывность потока при движении капельных жидкостей может быть нарушена из-за местного понижения давления, что приводит к закипанию жидкости и парообразованию.

Для вязкой жидкости существуют потери энергии, тогда уравнение Бернулли преобразуется:

где- потери напора между сечениями.

Если канал расположен строго горизонтально, то уравнение имеет вид:

.

Зная, что то можем преобразовать уравнение:

Если записывать потери энергии в терминах давления, то:

,

Где - потери на трение, Па; - коэффициент трения (от 0,02 до 0,03), l - длина трубопровода, м;-коэффициент местного сопротивления (локальные потери), с- скорость потока жидкости, м²/с; d- диаметр трубопровода, м.

3. Закон сохранения импульса. Изменение количества движения массы жидкости в единицу времени равно сумме всех внешних сил, действующих на эту массу.

.

Основные параметры работы нагнетателей

К основным параметрам относятся:

· Производительность (подача);

· Напор;

· Давление;

· Потребляемая мощность;

· КПД.

Производительность - количество вещества, подаваемая в единицу времени. Подача не зависит от рода перекачиваемой среды. Она зависит от размера нагнетателя, скорости движения потока жидкости и от свойств трубопровода. Подача бывает массовая, которая при отсутствии утечек одинакова для всех течений рабочей области нагнетателей. Также существует объемная подача, которая практически одинакова в насосах и вентиляторах, а в компрессорах из-за существенного сжатия перемещаемой среды объемная подача по длине проточной части уменьшается.

Напор - это работа, совершаемая рабочим колесом нагнетателя которую принято относить к весу жидкости, проходящей через нагнетатель. Напор выражают в метрах водяного столба.

Давление - работа, совершаемая рабочим колесом нагнетателя, отнесённая к объёму газа, прошедшего через машину. Полное давление делится на статическую и динамическую часть.

Мощность - это энергия, подаваемая потоку в единицу времени. Полезная мощность - мощность, переданная потоком жидкости.

КПД - отношение полезной мощности и мощности на валу. КПД зависит от конструкции и размеров нагнетателя, от рода перекачиваемой среды, характеристик сети, от режима работы самого нагнетателя.

Потери энергии в нагнетателях делятся на:

1. Объёмные потери, которые возникают в результате утечек перекачиваемой среды через зазоры и уплотнения, а также в результате перехода потока жидкости из области с более высоким давлением в область с низким давлением. Такие потери характерны для центробежных нагнетателях. Для таких потерь введён объёмный КПД, з_о = 0,96…0,98

2. Гидравлические потери. Возникают и в рабочей полости нагнетателя, и в подводящей и отводящей частях. Характеризуются гидравлическим КПД ( з_г = 0,8…0,96), который зависит от обработки внутренних поверхностей нагнетателя, от вязкости жидкости и от конфигурации проточной полости нагнетателя.

3. Механические потери. Возникают за счёт потерь на трение в рабочем колесе нагнетателя, в подшипниках и уплотнениях валов. Характеризуются механическим КПД, з_м = 0,92…0,95

Тогда общий КПД равен: з = з_о з_м з_г

Способ действия и кинематика движения жидкой среды в рабочем колесе центробежного нагнетателя

1.Улиткообразный корпус

2. Рабочее колесо

3. Рабочие лопасти

Рабочее колесо приводится во вращение электродвигателем, перемещаемая среда поступает в нагнетатель вдоль оси вращения через всасываемый патрубок, попадает в межлопастное пространство, захватывается рабочим колесом, под действием центробежных сил перемещается к периферии колеса, затем собирается в корпусе и попадает на выход нагнетателя, к нагнетательному патрубку.

Осевой разрез рабочего колеса центробежного нагнетателя

Передача энергии потоку жидкости от вала происходит при помощи рабочего колеса с профилированными лопастями. Внутренняя полость рабочего колеса образуется двумя дисками 1 и 2 и несколькими лопатками 3. Основной диск 1 жестко закреплен на валу нагнетателя. Поток жидкости, поступая в полость рабочего колеса 5, вращается вокруг центра и под влиянием центробежных сил перемещается к периферии и выбрасывается в канал 4. Работа центробежных сил в межлопастных каналах приводят к изменению энергии потока, который возрастает в направлении движения от центра рабочего колеса к его периферии. Передача энергии с вала машины по току жидкости происходит из-за силового воздействия рабочих лопаток на поток. В некоторой конструкции центробежных машин по мимо рабочих колес устанавливают лопастные направляющие аппараты, которые служат для направления потока или частичного преобразования его кинетической энергии в потенциальную. Энергия, передаваемая по току жидкости рабочим колесом, определяется значениями абсолютной, относительной и окружной скоростей на входе и на выходе из рабочего колеса.

Абсолютная скоростьм/с - скорость перемещаемой среды относительно неподвижного корпуса.

Окружная скоростьм/с - скорость, которая описывает собой вращательное движение частицы в потоке жидкости. Направление вектора этой скорости перпендикулярно радиусу вращения в этой точке.

Относительная скоростьм/с- скорость потока относительно рабочей лопатки, направленна по касательной к поверхности лопатки.

Параллелограмм скоростей

В любой момент времени и в любой точке пространства можно построить треугольники скоростей

Где, - радиальная проекция абсолютной скорости, м/с.

- окружная проекция абсолютной скорости, м/с.

- угловая скорость, 1/с.

n - частота вращения, об/мин.

Теоретический и действительный напоры центробежного нагнетателя. Уравнения Эйлера

Направление вращения вихря в межлопастном пространстве противоположно направлению вращения рабочего колеса. Относительная скорость на внутренней стороне лопатки больше, чем на внешней стороне. При открытии запорной арматуры в лопастном пространстве рабочего колеса возникает течение потока.

При выводе уравнения Эйлера для нахождения теоретического напора рабочего колеса используют следующих 5 упрощающий предположений:

1) Перекачиваемая среда несжимаема, вязкие силы отсутствуют.

2) Рабочее колесо имеет бесконечное количество лопаток.

3) Течение имеет струйчатую структуру, струйки полностью повторяют геометрию лопатки.

4) Относительное движение характеризуется одним вектором относительной скорости вдоль.

5) Предполагается осевая симметрия потока.

Диффузорный эффект - повышение давления в перемещаемой среде из-за снижения скорости при ее движении в расширяющимся межлопастном канале.

Для нахождения теоретического напора применяют по току проходящему через рабочее колесо нагнетателя уравнение моментов количества движения. При этом предполагают, что поток в межлопастных каналах плоский и определяется двумя составляющими - радиальной проекция абсолютной скоростии окружная проекция абсолютной скорости

Из предположения, что число лопаток бесконечно следует, что скорости во всех точках сечений остаются постоянными. Если скорость пропускает расход жидкости с некоторой плотностью, то моменты секундных количеств движения на входе и на выходе из межлопастных каналов равны:

где, - момент теоретический при бесконечном количестве лопаток;

r_1, r₂ - конструктивные радиусы, м.

Тогда уравнение моментов имеет вид:

Момент, подводимый к валу нагнетателя больше теоретического момента М_т из-за механического трения в сальниках и уплотнителях вала, а также из-за наличия гидравлического трения потока жидкости с нерабочей стороной колеса.

Мощность, передаваемая в межлопастных каналах N_{т ?}, Вт:

С другой стороны мощность определяют как произведение массы жидкости прошедшей через рабочее колесо на удельную работу:

Сопоставляя две последние формулы получим:

Тогда сокращенное уравнение Эйлера для нахождения теоретического напора при бесконечном количестве лопаток имеет вид:

Используя формулу из треугольника скоростей, сможем записать полное уравнение Эйлера:

где, и - статические части полного напора;

- динамическая часть полного напора.

В большинстве случаев поток жидкости, входящий в межлопастное пространство, начинает вращаться из-за непосредственного соприкосновения с валом и втулкой рабочего колеса нагнетателя. Также причиной вращательного движения потока служит импульсный обмен между массами жидкости уже вошедшей в межлопастное пространство и массами, находящими вне этих каналов. Такое явление называют закручиванием потока на входе в рабочее колесо.

Величина закручивания потока характеризуется проекцией с_1U при входе в межлопастное пространство.

Угол = 90⁰ ( С_1U = 0), если нет устройства изменяющее угол перед рабочим колесом. Если закручивание потока вызвано воздействием самого рабочего колеса, без помощи специально направляющих аппаратов, то происходит некоторое увеличение теоретического напора.

Тогда уравнение Эйлера для радиального входа на рабочее колесо имеет вид:

Нагнетатели без предварительного закрутки потока называют машинами радиального типа. Действительный напор, создаваемый рабочими колесами меньше теоретического при бесконечном количестве лопаток по 2-м причинам:

1)Часть энергии, полученная потоком жидкости в рабочем колесе, затрачивается на преодоление гидравлического сопротивления в проточной части машины. Эти потери учитываются введением гидравлического КПД.

2)Отклонение действительной картины течения потока от предполагаемой струйной при бесконечном количестве лопаток. Это учитывается поправочным коэффициентом, обычно = 0,8, если расчет не требует большой точности. Коэффициент учитывает конечное количество рабочих лопаток.

где, z - количество лопаток нагнетателя.

Действительный напор, создаваемый рабочими колесами равен:

Влияние угла выхода потока с лопатки на напор центробежного нагнетателя. Формы лопаток

Наиболее сильная зависимость напора от угла выхода наблюдается при значениях, когда в₂ близок к 0^о или 180^о.

Для более подробных и точных подсчетах вводят конструктивный параметр в_2Л - лопаточный угол.

в_2Л - в₂ = д

Угол скоса потока д, примерно составляет от 3^одо 5^о. Отличие углов в_{2Л и} в₂ связанно с условиями обтекания рабочей лопатки потоком жидкости. В зависимости от угла выхода в_2Л различают три типа рабочих лопастей центробежных нагнетателей:

1. Лопатки, отогнутые назад по ходу вращения рабочего колеса (в_2Л < 90^о)

2. Радиальные лопатки (в_2Л = 90^о)

3. Лопатки, отогнутые вперед по ходу вращения рабочего колеса (в_2Л > 90^о)

Для всех трех видов лопаток угол в₁ всегда меньше 90^о

Напор передается потоку жидкости в виде кинетической энергии:

а) При в_2Л < 90^о динамическая часть полного напора меньше статической;

б) При в_2Л = 90^о динамическая часть полного напора равна статической;

в) При в_2Л > 90^о динамическая часть полного напора больше статической.

Способность рабочих лопастей создавать статический напор характеризуется степенью реактивности рабочего колеса. Степень реактивности с - отношение статической части теоретического напора к полному теоретическому напору, который создается рабочим колесом.

Чем выше степень реактивности, тем более совершенным является нагнетательно устройство. Для нагнетателей с лопатками, предельно отогнутыми назад степень реактивности равна 1 (с =1). У нагнетателей с радиальными лопатками степень реактивности равна 0,5 (с =0,5). Для нагнетателей с лопатками, отогнутыми вперед степень реактивности равна 0 (с = 0). С точки зрения гидродинамики лопатки, отогнутые назад, являются наиболее обтекаемыми и с их установкой можно увеличить диапазон скоростей и уменьшить гидродинамические потери в нагнетателе. Нагнетатели с такими лопастями дают самый высокий КПД. В насосах и компрессорах лопатки отогнуты назад, а у вентилятора все три типа лопаток существуют. При этом лопатки, отогнутые вперед, создают высокое давление и наибольшую подачу, что позволяет снизить окружные скорости на выходе из рабочего колеса и значительно уменьшаются габариты вентилятора.

Основные размеры рабочего колеса

· Углы входа и выхода потока с лопаток;

· Внутренний и наружный диаметр;

· Число лопаток;

· Ширина рабочих лопаток на выходе и на выходе;

· Ширина межлопастного канала на входе и на выходе.

Исходя из частоты вращения рабочего колеса и величины исходной подачи можно задаваться значениями входного и выходного диаметра рабочих колёс. Величина m лежит в пределах 1,25…3,3. Оптимальное соотношение диаметров достигается при величине m от 1,4…1,6.

Выбирают количсетво лопаток так, чтобы обеспечить максимальный КПД нагнетателя. Если число лопаток мало, то в межлопастных каналах появляется вихревые области, то есть зоны отрыва потока от лопасти, что приводит к дополнительным гидродинамическим потерям. Слишком большое количество лопастей вызывает увеличение потерь из-за возрастания поверхностей трения. Поэтому число лопаток рассчитывается по принципу, при котором среднее расстояние между ними будет приблизительно равно половине их длины:

Угол потока на входе - зависит от режима работы машины, а при постоянной частоте вращения - от подачи насоса. Однако он изменяется при изменении режима работы, поэтому существует разность, называемая углом атаки i:

i =

где, - лопаточный угол, он обычно на 3^о-5 больше угла .

Ширину рабочих лопаток на входе b₁обычно выбирают такой, чтобы скорость перед рабочими лопатками с₁была равной скорости на входе в межлопастные каналы с₀ тогда: b₁ =

Ширина рабочей лопатки на входе определяется из условия равенства радиальных проекций абсолютной скорости на входе и на выходе из рабочего колеса.

Для упрощения изготовления рабочих колес для насосов малой мощности, а также для вентиляторов применяют равной однако при этом КПД машины снижается на 2-3 %.

Отводы и подводы к нагнетателям

Подводы - часть проточной полости нагнетателя, подводящая перемещаемую среду к входному отверстию рабочего колеса. Задачей подвода служит асимметричное одномерное подведение потока жидкости к рабочему колесу нагнетателя.

Потери энергии в потоке должны быть минимальны, поэтому скорости в его сечениях ограничивают. Проходные сечения подвода в направлении движения потока должны постепенно уменьшается, что приводит к постепенному возрастанию скорости до ее величины во входном сечении рабочего колеса. Размеры, формы и расположения подвода влияют не только на величину энергии передаваемой потоку жидкости, но и на все характеристики в целом машины. Для снижения гидравлических потерь в подводе площадь входа выполняют максимально возможной.

Подвод характеризуется тремя параметрами:

1. Длина;

2. Диаметр входного отверстия;

3. Диаметр входа в нагнетатель (диаметр минимального сечения).

Существуют четыре формы подвода к нагнетателю:

1. Цилиндрический

2. Конический

3. Комбинированный

4. Тороидальный

Отвод - часть проточной полости нагнетателя, которая принимает перемещаемую среду и частично преобразует кинетическую энергию потока жидкости в потенциальную энергию.

Существуют три типы отводов:

1. Кольцевой - цилиндрическое пространство постоянной ширины полностью охватывает рабочее колесо машины.

2. Спиральный - криволинейный канал окружающий рабочее колесо и комбинируемый с кольцевым отводом.

3. Лопаточный - система нескольких диффузионных каналов окружающих рабочее колесо.

Отвод должен обеспечить протекание потока жидкости от колеса с наименьшими потерями и без нарушения оси симметричности потока. При этом скорость потока должна постепенно снижаться до ее величины в начальном сечении напорного трубопровода. Для понижения скорости на выходе из напорного патрубка к спиральному отводу присоединяют конический диффузор с углом раскрытия 10^о

В многоступенчатых конструкциях центробежных машин применяют лопаточные отводы, представляющие неподвижную круговую решетку с большим количеством лопастей, что позволяет образовывать межлопастные каналы. Во всех типах лопаточных отводов при значимом отклонении режима работы от расчетного, наблюдается срыв потока с поверхности лопатки как следствие снижения КПД машины.

Существенное влияние на работу центробежной машины оказывает радиальный зазор ?r, между концами рабочих лопаток колеса и входными кромками лопаток отвода. При слишком малом значении ?r машина создает шум и иногда вибрацию. Положительное влияние цилиндрического пространства размером ?r заключается в выравнивании скоростей неравномерно распределительных по окружности выхода из рабочего колеса.

Тогда полные потери напора равны:

?Н = ?Нуд + ?Нот

где, ?Нуд - потери на удар, связанные с резким уменьшением скорости потока.

?Нот - потери связанные с отводом.



Действительные характеристики центробежного нагнетателя

В зависимости от конструктивных особенностей в проточной полости нагнетателя и в первую очередь от угла выхода потока с лопатками существует две формы напорной характеристики:

1. Напорная характеристика для рабочих колес с лопатками отогнутыми вперед.

Особенностью характеристики действительного напора является наличие максимума и неоднозначной зависимости напора в пределах от напора холостого хода Нх.х до максимального напора Нmах. Машины с такой характеристикой работают неустойчиво, самопроизвольно изменяя подачу.

2. Напорная характеристика для рабочих колес с лопатками отогнутыми назад

Такая напорная характеристика свойственна центробежным машинам при рациональной форме проточной полости. Работа такой машины устойчива при любом режиме.

Действительный напор отличается от теоретического на величину потерь ДН в проточной полости нагнетателя при изменении расхода машины. Потери напора также варьируются по причинам изменения сопротивления проточной части и отклонение потока вследствие удара потока о лопасть, что вызывает образование в потоке вихревых зон. Поэтому действительная напорная характеристика располагается ниже теоретической.

Набор зависимостей давления либо напора, мощности и КПД от подачи называется полной характеристикой центробежной машины.

Q

Действительная мощность Р центробежной машины возрастает с увеличением подачи. Действительная мощность при полностью закрытой задвижке, то есть нулевой подачи, равна мощности холостого хода и затрачивается на покрытие потерь происходящих при этом режиме. Потери мощности при холостом ходе обусловлены циркуляционными потоками в проточной части машины, особенно в её рабочем колес. Также потери возникают из-за дискового трения о поток жидкости и механического трения в сальниках и подшипниках машин.



Многоступенчатые и многопоточные центробежные нагнетатели

Создаются с целью увеличения напора или давления центробежные нагнетатели выполняют многоступенчатыми. Многоступенчатая центробежная машина представляет собой ряд одноступенчатых машин, рабочие колеса которых сидят на общем валу и включены последовательно.

Полный напор представляет собой сумму напоров отдельных ступеней.

Если все ступени машины имеют одинаковые геометрические размеры, то напор и давление выражается по формуле:

где, n - число ступеней нагнетателя.

Из закона сохранения массы подача во всех ступенях такой машины будет одинакова.

Поток жидкости поступает через входную камеру в рабочее колесо первой ступени машины и принимает от лопаток некоторое количество энергии. Далее поток жидкости выбрасывается в направляющий аппарат в этой же ступени, проходит через диафрагму, отделяющую одну ступень от другой, и подается в рабочее колесо второй ступени. Между ступенями могут устанавливать обратные направляющие аппараты, которые служат для оптимального закручивания потока для последующей эффективной передачи энергии по току жидкости в последующей ступени машины.

Для увеличения подачи нагнетателя применяют многопоточные центробежные машины, для этого используют параллельное соединение рабочих колес.

При высоких напорах и подачах применяют центробежные машины многопоточного типа со ступенями. Такие машины состоят из 2-х или 4-х групп ступеней давления. Для повышения напора в каждой группе ступени включены последовательно, а для повышения подачи сами группы ступеней включены параллельно.

В центробежных вентиляторах и компрессорах во всех ступенях применяют одинаковые по форме рабочие лопатки. Это достигается изменением размеров сечений ступеней. Число ступеней n в центробежных насосах достигает 30, а величина напоров для насосов падающих воду достигает до 5000 метров водяного столба.

Влияние частоты вращения рабочего колеса на характеристики нагнетателя

Изначальная напорная характеристика H(Q) при частоте вращения n, тогда напорная характеристика H(Q) при частоте вращения n' > n выглядит:

Из уравнений подобия:

Получаем напорную зависимость: , которая описывает линии пропорциональности, имеющие вид квадратичной параболы. Линии пропорциональности соединяют точки 1 и 1', 2 и 2', и являются линиями постоянного КПД.

При изменении частоты вращения напорная характеристика смещается параллельно от исходной. При увеличении частоты она смещается вверх , при снижении - вниз. Точки пересечения линий пропорциональности и напорные характеристики при разных частотах вращения позволяют определить значение напора и подачи в подобных режимах.

Подобие нагнетателей и коэффициент быстроходности

Теория подобия нагнетателей позволяет выбрать существующий нагнетатель в качестве основы и на его базе получить размеры рабочего колеса проектируемого нагнетателя с требуемыми характеристиками.

Два нагнетателя считаются гидродинамическими подобными при соблюдении трёх условий:

1. Геометрическое подобие - пропорциональность соответствующих размеров двух нагнетателей. Все параметры, относящие к исходному нагнетателю, обозначают со штрихом, а параметры проектируемого нагнетателя обозначают без штриха.

2.

3. Кинематическое подобие - пропорциональность скоростей в сходных точках потока.

4. Равенство углов установки лопаток на входе и выходе из рабочего колеса.

Используя предыдущие подобия, запишем уравнения подобия для параметров работы нагнетателей:

1. Уравнение подобия для подач:

2. Уравнение подобия для напоров:

3. Уравнение подобия для давлений:

4. Уравнение подобия для мощностей:

Коэффициент быстроходности - частота вращения геометрически подобного рабочего колеса, которое при напоре в 1 м развивает объёмную подачу в 0,075 м³/с.

где, - является критерием подобия и лежит в пределах от 0 до +?.

Из формулы видно, что центробежный нагнетатель обладает тем большей быстроходностью, чем больше частота вращения передается валу. Высокие частоты вращения выгодны, потому что они обуславливают меньший размер и массу нагнетателя. При заданном числе оборотов коэффициент быстроходности тем выше, чем больше подача и ниже напор, поэтому нагнетатель с высоким обеспечивает большую подачу, но является низконапорным.

Работа нагнетателя в сети

Сеть - система трубопроводов и отдельных агрегатов, присоединенных к нагнетателю.

Виды сети:

1) Простые (состоит из одного или нескольких последовательно соединённых участков)

2) Сложные (система разветвленных, либо параллельно соединенных участков)

Виды потерь в сети:

1) Потери на местные сопротивления;

2) Потери на трение;

3) Потери на выходе.

Уравнение ДР_n = kМ Q² характеризует полные потери для вентиляционной системы, где коэффициент k = const для каждой сети и характеризует гидравлические потери в сети. Коэффициент k тем больше, чем длиннее и извилистее сеть, чем больше шероховатость внутренних поверхностей, как у трубопровода, так и самого нагнетателя. Коэффициент k зависит от плотности, вязкости перемещаемой среды и от характера движения потока жидкости.

Характеристика сети представляет собой зависимость потерь давления в данной сети от расхода через нее и имеет вид:

Существует 4 уравнения сети, определяющие зависимость полных потерь Р в зависимости от режимов течения потока:

1) ДР_n = Р_о= const - характерно для сети с постоянным статическим сопротивлением, что наблюдается при продувании воздуха через слой жидкости.

2) ДР_n = Р_о' + kМ Q² - характерно для сети со статическим сопротивлением и потерей давления при турбулентном режиме.

3) ДР_n = kМ Q - потери давления при ламинарном режиме.

4) ДР_n = kМ Qⁿ - потери давления при политропного режима

При расчете сети используем принцип суперпозиции, т.е. считаем, что отдельные участки сети не влияют друг на друга.

Работа последовательно соединенных участков описывается следующими уравнениями:

Работа параллельно соединенных участков описывается следующими уравнениями:

Регулирование подачи нагнетателей

Регулирование нагнетателей - это такое изменение параметров, которое происходит непрерывно без остановки машин. Отношение измененной подачи при регулировании к исходной подаче называется - глубиной регулирования.

Регулирование подачи может осуществляться 2-мя способами:

· Изменение характеристик самой сети;

· Изменение характеристик нагнетателя.

Существует 3 способа изменения подачи:

1) Дросселирование при постоянной частоте вращения рабочего колеса.

Принцип дросселирования состоит в дополнительном введении в сеть гидравлического сопротивления и поскольку наибольшая подача осуществляется при полностью открытой задвижки этим способом мы можем только уменьшить подачу. Прикрывая вентиль мы повышаем статическое давление сети и характеристика сети занимает положение при промежуточном значении

Энергетическая эффективность низка, но из-за простоты применяется достаточно широко. При дроссельном регулировании насосов, дроссель располагается только на напорном патрубке, поскольку установка дросселя на всасывании неизбежно приводит к кавитации, закипанию жидкости.

2) Изменение частоты вращения вала нагнетателя.

При этом способе изменяется характеристика нагнетателя, а характеристика сети постоянна.

В отличие от дросселирования этот способ позволяет регулировать подачу в обе стороны, с повышением частоты вращения увеличивается подача, а со снижением частоты вращения подача и давление падает.

Существуют несколько способов изменения частоты:

1. Применение электродвигателей допускающих плавную или ступенчатую регулировку частоты вращения;

2. Применение паротурбинного привода;

3. Применение гидромуфт, индукционных муфт скольжения и вариаторов частоты вращения. Из-за высокой стоимости вариаторов и гидромуфт, которые дают плавное изменение скорости вращения, иногда применяют ступенчатое изменение частоты вращения с последующей дорегулировкой до требуемой подачи дросселированием.

3) Установка поворотно- направляющих аппаратов (ПНА) на входе в рабочее колесо.

Поворотно - направляющие аппараты закручивают поток перед рабочим колесом. Закручивание потока влияет на величину напора и при заданной характеристике трубопровода существенно изменяет подачу нагнетателя. При установке ПНА изменяется и характеристика сети и характеристика нагнетателя. Также установка ПНА перед рабочим колесом позволяет регулировать подачу в обе стороны. При уменьшении угла б₁ подача, напор и мощность уменьшаются, а при увеличении угла б₁ параметры нагнетателя также увеличатся.

При изменении угла б₁ мощность изменяется по линии А - А₂, а при дросселировании она будет изменяться по линии АВ.

Иногда для форсирования потока, поток закручивают в обратную сторону, то есть угол б₁ > 90^о. Тогда уравнение Эйлера имеет вид:

Совмещенный треугольник скоростей

Совместная работа нагнетателей

Совместная работа используется в тех случаях, когда:

1. Когда один нагнетатель не обеспечивает необходимую подачу или давление, а замена его на более мощный невозможна.

2.Когда существует необходимость изменения расхода или давления по технологическому процессу.

3. Для обеспечения надежности работы всей системы в целом.

Существуют 3 схемы подключения нагнетателей:

1. Параллельное;

2. Последовательное;

3. Смешанное.

Если установка будет состоять из одного агрегата, то он должен быть выбран на максимальную подачу, но с возможностью регулирования этой подачи до минимума. Такая машина является с большой подачей и глубоким регулированием. Поскольку регулирование связанно с потерями энергии такая машина работает с низким эксплуатационным КПД. Из условий бесперебойной подачи в сеть, следует установка аварийного резерва, рассчитанного на максимальную подачу. При одном рабочем агрегате нужен аварийный резерв. При неравномерном графике расходов установка одного рабочего агрегата оказывается невыгодной из-за повышения капитальных затрат и потерь энергии при эксплуатации.

Установка двух одинаковых агрегатов повышает энергетическую эффективность и на половину снижает величину аварийного резерва. Поэтому большинство установок выполняется в виде ряда насосов включенных в сеть параллельно. При этом подача, напор, мощность и КПД каждой машины существенно зависит от режимов нагрузки при их совместной работе.

1. Параллельное включение. Используется в том случае, когда необходимо увеличить подачу, но это увеличение невозможно обеспечить повышением частоты вращения рабочего колеса.

Параллельное включение может быть:

а) полностью параллельное

б) полупараллельное :

1. Вначале:

2. В конце:

Рассмотрим параллельную работу двух одинаковых нагнетателей:

где, А - определяет режим работы на сеть при совместном включении двух нагнетателей;

А' - режим работы каждого из нагнетателей при совместной работе;

N' - мощность каждого из нагнетателей при совместном включении;

А₁ - режим работы на сеть одного нагнетателя при отключении другого;

N₁ - мощность одного нагнетателя.

При отключении одного из нагнетателей предполагают, что характеристика другого нагнетателя при этом не меняется. Включение нагнетателя в параллель с уже работающей машиной снижает мощность последней и напротив, если одну из машин, работающих в параллель отключают, то другие остающиеся в работе самопроизвольно повышают подачу и мощность. Это объясняется тем, что при отключении одной из машин подача установки снижается, следом понижается давление и оставшиеся машины работают при пониженном давлении, а всякому пониженному давлению сопутствует повышение подачи и мощность.

2. Последовательное включение

Рассмотрим последовательное включение двух одинаковых нагнетателей. Его используют если давление одного нагнетателя недостаточно, для преодоления сопротивления сети.

где, А - режим работы двух нагнетателей при совместной работе;

А₁ - режим работы одного нагнетателя при отключении другого;

А' - режим работы одного из нагнетателей при совместной работе.

При отключении одного из нагнетателей давление и подача снижаются.

Устойчивость работы нагнетателя

Устойчивость работы - это возврат режима работы нагнетателя в первоначальное положение под влиянием случайных возмущений в сети.

Самопроизвольное колебание подачи напора и мощности называют помпажом или автоколебанием. Помпаж вызывает толчкообразные повышения давления в потоке жидкости, что приводит к увеличению напряжений в рабочих частях системы и может привести к разрушению нагнетателя и трубопроводов.

Изменение рабочего режима обусловлено 3 основными причинами:
1) Срыв потока с рабочих лопаток, который происходит при дросселировании до малых расходов.

2) Сбой в электрической сети, что приводит к изменением частоты вращения вала нагнетателя.

3) Резкое изменение расхода со стороны потребителя.

1. Рассмотрим нагнетатель с падающей характеристикой.

Точка А определяет рабочий режим нагнетателя. Предположим, что подача нагнетателя случайно уменьшится на dQ, то напор нагнетателя в точке 4 стал больше, чем сопротивление сети в точке 3 и подача увеличится до изначального состояния, до своей рабочей точки А.

При условии, если подача нагнетателем случайно увеличится на dQ, сопротивление сети в точке 1 станет больше, чем напор, создаваемый нагнетателем в точке 2. То есть сопротивление сети тормозит поток жидкости и подачу до расчетной величины в точке А. Работа нагнетателя с падающей характеристикой является устойчивой при любых возмущениях сети.

2. Рассмотрим нагнетатель с седлообразной характеристикой

Аккумулирующая емкость больше, чем подача.

При случайном увеличении подачи нагнетателем на dQ, напор создаваемый нагнетателем превосходит сопротивление сети, что приводит к дальнейшему подачи и перемещению расчетной точки А в точку В.

При случайном снижении подачи на dQ сопротивление сети погасит напор созданный нагнетателем, что вызовет дальнейшее снижение подачи и переход режима работы в точку С. Работа на сеть нагнетателя с седлообразной характеристикой неустойчива.

3. Насос с седлообразной характеристикой

Объём водонапорного бака сопоставим с подачей насоса.

Расчётный режим определяется точкой А и при этом подача производимая нагнетателем равна расходу который требуется потребителю. При увеличении подачи на dQ точка А перемещается в точку D и подача производимая нагнетателем становится больше, чем расход требуемый потребителю, это приведет к тому, что уровень в водонапорном баке будет повышаться и гидравлическая составляющая потерь давления в сети также возрастет. Режим работы в точке D является критическим и любое случайное повышения напора приведет к скачкообразному переходу режима работы в точку F, в которой подача созданная нагнетателем меньше той, что требуется потребителю. Потребитель собирает запас из водонапорного бака, уровень жидкости в баке падает, а гидравлическая составляющая возрастает и режим скачкообразно переходит в точку С, который также характеризует собой критический режим работы. Даже незначительное снижение уровня воды в баке приведет к переходу режима в точку Е. Опять же в точке Е подача становится больше, чем нужно потребителю и режим работы переходит в тоску D, таким образом, возникает помпаж.

Методы борьбы с помпажом:

· Скругление входной кромки рабочей лопатки;

· Увеличение количества лопастей рабочего колеса;

· Применение рабочих колес с лопастями отогнутыми назад;

· Установка обратного клапана;

· Уменьшение аккумулирующей способности системы;

· Снижение частоты вращения рабочего колеса;

· Установка дросселирующей задвижки непосредственно за нагнетателем.

Кавитация. Высота всасывания. Самотяга

Кавитация - это процесс парообразования с последующей конденсацией пузырьков пара в потоке жидкости. Процесс сопровождается шумом и гидравлическими ударами, а также образованием в потоке жидкости своеобразных полостей или кавитационных пузырьков называемых кавернами. Каверны заполнены паром той самой жидкости, в потоке которой они возникают.

Кавитация бывает:

* Гидродинамическая кавитация - кавитация, которая возникает в результате резкого понижения давления в потоке жидкости при увеличении скорости движения этой жидкости.

* Акустическая кавитация - кавитация, которая возникает в результате понижения давления при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разряжения.

Кавитация носит локальный характер и возникает только при соответствующих условиях. Перемещаться в среде она не может, но при этом разрушает поверхности гребных винтов, лопатки рабочих колес у насосов, гидромуфты, гидротурбины. Физический процесс кавитации близок к процессу закипания жидкости различие в том, что при закипании изменение фазового состояния происходит при среднем давлении по всему объёму жидкости, который равен давлению насыщенного пара, а при кавитации среднее давление выше давления насыщенного пара.

Основную роль в образовании пузырьков при кавитации выполняют газы, выделяющиеся внутрь образовавшихся пузырьков. Эти газы всегда содержатся в жидкости, при местном снижении давлениям начинает интенсивно выделяться внутрь этих пузырьков. Поскольку под воздействием переменного местного давления в потоке жидкости пузырьки могут резко сжиматься и расширяться, то температура внутри пузырьков колеблется в широком диапазоне и порой достигает несколько 100^оС. Также следует учитывать, что в растворенных жидкостях газа в процентном соотношении кислорода содержится больше, чем в воздухе. Поэтому газы в пузырьках химически более агрессивны, чем атмосферный воздух и по итогу вызывают окисление инертных материалов. Химическая агрессивность газа в пузырьках при наличии высоких температур вызывает эрозию материалов, которые являются одним из вредных факторов воздействия кавитации. Второй фактор обусловлен большими забросами давления возникающих при схлопывании пузырьков и воздействиями на поверхности материалов рабочего колеса.

Полезное применение кавитации:

1. Ультразвуковая очистка поверхностей твердых тел. Специальные устройства создают кавитацию, используя звуковые волны в потоке жидкости. Кавитационные пузырьки, схлопываясь, создают ударную волну, которая разрушает частицы загрязнений и удаляет с поверхности твердого тела.