Вихревые насосы. Конструкции, применение, расчет

1.

Вихревые
насосы
Конструкции, применение, расчет
1

2.

Схема вихревого насоса
закрытого типа
1– рабочее колесо
2– перемычка между
всасывающим и напорным
окнами
Характеристики
насосов:
1 – вихревого
2 – центробежного
2
2

3.

3
3

4.

Сравнение вихревых насосов с центробежными
Вихревые насосы имеют преимущества (по сравнению с ЦБН):
• При тех же размерах напор выше в 3..8 раз
• Проще конструкция проточной части
• Некоторые вихревые насосы обладают свойством
самовсасывания без дополнительных устройств
• Некоторые конструкции способны работать на смеси жидкости и
газа
Недостатки:
• Низкий КПД (не более 45%), следовательно, область применения
ограничена, рекомендуемые значения:
N<25 кВт
Q<12 м3/c
H<250 м
• Нельзя применять при большой вязкости жидкости. Только если
число Рейнольдса Re>20000 (вязкость жидкости до 30..40 сСт)
• Нельзя применять, если в жидкости присутствуют абразивные
частицы
4
4

5.

Основные области применения вихревых
насосов
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Перекачивание маловязких легколетучих жидкостей –
топливные насосы (в частности, самовсасывающие) –
бензоколонки, автозаправщики, аэродромная техника
Пожарные насосы (высокий напор при малых габаритах) –
устанавливаются на автомобилях и мотопомпах
Перекачивание сжиженных газов (способность работать на
смеси газа и жидкости), в т.ч. герметичные
На судах – в качестве питательных насосов малых силовых
установок
Индивидуальное хозяйство – водяные самовсасывающие
насосы для перекачивания воды из колодцев и т.п.
В качестве малогабаритных скважинных насосов (с
существенными ограничениями по области использования)
В химической промышленности (простые рабочие органы,
возможность изготовления из разных материалов)
В военной технике – высокооборотные малогабаритные
высоконапорные насосы и др.
5

6.

6

7.

Рабочий процесс вихревых насосов основан на 2 основных моментах:
-Вихревое рабочее колесо работает как ЦБ: захватывает жидкость из
всасывающей и нагнетает в отводную, проходя через колесо, жидкость
ускоряется, получает большую окружную скорость.
-Эта быстротекущая жидкость, выходя из колеса, смешивается с
медленнотекущей жидкостью в канале; при этом жидкость в канале получает
ударный импульс в направлении движения колеса.
Следовательно, вихревой насос - это комбинация ЦБН и струйного насоса.
За счет неуравновешенности жидкости появляется продольный
вихрь
За входной кромкой лопатки образуется отрыв–
формируется вихрь радиальный
7
7

8.

8
8

9.

9
9

10.

10
10

11.

Рабочие колеса вихревых насосов
11
11

12.

12
12

13.

Герметичный центробежно-вихревой многоступенчатый насос
13
13

14.

Скважинный вихревой насос
14
14

15.

Пример характеристик вихревых насосов
15
15

16.

Вихревой насос тип ВКС
16
16

17.

Параметры
насосов тип
ВК, ВКС
17
17

18.

Насос тип ЦВК
18
18

19.

Баланс энергии в насосе
19
19

20.

Жидкости, текущей по каналу, передается энергия. Рабочий процесс, за
счет которого это происходит, будем называть вихревым рабочим процессом.
+ насосов открытого типа: энергия передается жидкости также за счет
лопастного процесса при первом прохождении жидкости через колесо.
Опыты показывают, что давление
вдоль канала ВН постепенно
увеличивается (от Рв до Рн).
Объемные потери в ВН состоят из
потерь, вызванных перетечками в
уплотнении перемычки и радиальными
перетечками через уплотнение канала.
20
20

21.

Чтобы определить гидравлическую
мощность вихревого рабочего процесса
Nв рассмотрим равновесие жидкости в
канале.
Развернем
сечение
канала
и
цилиндром,
соосным
насосу,
рассмотрим силы, действующие на
жидкость в канале.
На жидкость, находящуюся в
канале, действуют: 1. Силы давления
Pв и Pн на сечениях входа и выхода из
него,
2. Окружная составляющая сил трения
жидкости о стенку канала Тц и сила Тк,
21

22.

22
22

23.

перет.
через
угл. канал
основное уравнение баланса энергии
23

24.

Характеристики вихревого насоса
закрытого типа
малые насосы
малые ns
Открытого типа
большие насосы
большие ns
24

25.

Влияние соотношений размеров на характеристики
1) Влияние
формы и
расположения
канала
Чем меньше сопротивление канала продольному вихрю, тем
больше Н (слева направо характеристики I, II, III)
Кафедра Э-10 Динамические насосы
25
25

26.

2. Влияние числа лопаток
• Чем ↑ z, темменьше
недокруткапотока, ↑ Н
• Чем ↑ z, тем ↑ сопротивление
продольному вихрю, тем ↓ Н
• Чем ↑ z, тем меньшекрутизна
характеристики
26
26

27.

3. Влияние соотношения размеров проточной части
Крутизна характеристики увеличивается при уменьшении радиальных
относительных размеров. Форма сечения 48а соответствует малым ns и
крутой характеристике. Форма сечения 48д - большим ns и пологой
характеристике.
Серповидные лопатки (49 в) дают более крутую характеристику.
Длины всасывающего и напорного окна слабо влияют на характеристику,
но влияют на кавитационные качества и самовсасывание.
27

28.

Методы регулирования режимов работы
вихревых насосов
насос
Вихревой
целесообразно
эксплуатировать в режимах
недогрузки,
т.к.
при
увеличении подачи его напор
резко падает. С другой
стороны, при малых подачах
существенно
у
насоса
возрастает
потребляемая
мощность.
Следовательно, вихревой
насос нужно запускать на
открытую
задвижку
(при
минимальной мощности), и
желательно эксплуатировать
28

29.

Расчет вихревых насосов
1.
2.
3.
4.
5.
Методик расчета вихревых насосов существует много, но ни
одна из них не является исчерпывающей и полностью
достоверной для всего диапазона типов и параметров
вихревых насосов. Причины этого следующие:
Отсутствие единой теории рабочего процесса вихревого
насоса, в отличие от центробежных насосов, для которых
струйная теория является пусть и приближенной, но
общепризнанной моделью описания рабочего процесса
Большое разнообразие конструкций вихревых насосов (типы,
формы канала, лопаток и др.)
Сложные
процессы
вихреобразования,
затрудняющие
комплексный гидродинамический анализ течения в насосе
Меньшая, по сравнению с центробежными насосами,
распространенность вихревых насосов приводит к тому, что
выделяются меньшие ресурсы на их изучение
Эмпирические методики расчета разных авторов, как правило,
применимы только для того типа насосов, на котором они
были выведены.
29

30.

Некоторые методики расчета вихревых насосов
1.
2.
3.
4.
5.
Систематика Б.И. Находкина – предлагает вести расчет
вихревого насоса на основании статистических данных с
использованием известных оптимальных соотношений для
элементов проточной части. Дает значительный разброс
результатов, но целесообразно использовать , когда у насоса
нет прямого прототипа
Методика пересчета параметров с подобного насоса-модели
с равным или близким ns. Наиболее точная методика, но
требуется модель, что не всегда доступно вследствие малой
базы данных по вихревым насосам.
Методика пересчета параметров с подобного насоса с ns, не
равным натуре (с использованием промежуточной модели).
Применяется, когда отклонение ns модели и натуры не более
30%, дает менее точные результаты, чем предыдущая.
Метод, предложенный О.В. Байбаковым – сложен и требует
большого объема расчетов, на практике не используется
Методики Шаумяна, Пфлейдерера, Шмидхена и ряда других
ученых – имеют те или иные недостатки, применимы к узким
классам насосов.
30

31.

Оптимальное соотношение
размеров
a/c = 1,6..3 откр. тип (2,0)
2,5..3,5 закр. тип (2,5)
b/c = 0,9..1,25
L/c = 0,9..1,25
большие насосы
с тонким лоп.
закр. тип
Кафедра Э-10 Динамические насосы
малые насосы
с толстыми лоп.
открытый тип
31
31

32.

Расчет насоса по систематике Находкина
ns
О.Т.
З.Т.
ns малый
6
9
10
7
20
4,3
5
30
3,6
4
40
5,0
3,2
ns большой
(1,5..2)l – откр.тип
L перемычки
(2..3)l – закр. тип
Кафедра Э-10 Динамические насосы
32
32

33.

Определение ns для вихревого
насоса:
1. Для насосов с двухсторонним рабочим
колесом ns определяется по
половинной подаче
2. Для многоступенчатых насосов ns
определяется по напору 1 ступени
3. Вихревые насосы отличаются от
центробежных тем, что для них режим
оптимальной подачи не является
особым (в отличие от центробежных –
у тех это режим безударного входа в
отвод), и работа в оптимальном по
КПД режиме для нихозначает работу
33

34.

Выбирается
характеристика
модельного насоса, для которого в
точке
оптимума
ns
равен
натурному.
По формулам подобия для H и Q
(одинаковы для всех динамических
насосов, у которых
рабочие
органы вращаются, производится
расчет
масштабного
коэффициента, далее пересчет
всех размеров насоса по этому
масштабному коэффициенту
Хар-ка модельного насоса
Кафедра Э-10 Динамические насосы
34
34

35.

35

36.

36

37.

Пересчет с модельного насоса с использованием промежуточной модели
Кафедра Э-10 Динамические насосы
37
37

38.

Кафедра Э-10 Динамические насосы
38
38

39.

Далее, по аналогии с расчетом с
использованием обычной модели, находим
масштабный коэффициент и пересчитываем
размеры промежуточной модели на размеры
натурного насоса.
Кафедра Э-10 Динамические насосы
39
39

40.

Силы, действующие на колесо
вихревого насоса
Радиальная сила
40

41.

Осевая сила в
насосе открытого
типа
41

42.

Один из вариантов разгрузки от осевой силы в
насосе открытого типа
42

43.

Осевая сила в насосе закрытого
типа
43

44.

Кавитационные качества вихревых
насосов
На рисунке
приведен пример
кавитационной
характеристики
вихревого насоса.
В целом,
кавитационные
качества вихревых
насосов как
открытого, так и
закрытого типа
44

45.

серпообразные лопатки
большие насосы
(тонкие лоп)
прямоугольныелопатки
малые насосы
(толстые лоп)
Причины худших кавитационных качеств:
1) Угол атаки на входе в рабочую камеру В.Н.
велик
2) У ЦТН входная кромка острая, а у В.Н. имеется
торцовый зазор
Кафедра Э-10 Динамические насосы
45
45

46.

46

47.

Способы улучшения кавитационных качеств
Кафедра Э-10 Динамические насосы
47
47

48.

48

49.

Влияние радиуса
расположения
окна всасывания
49

50.

Б. Насосы закрытого типа
Кафедра Э-10 Динамические насосы
50
50

51.

насосов
Отличие
вихревых
закрытого типа от насосов открытого
типа в том, что жидкость поступает не
на лопатки колеса, а сначала в канал, и
оттуда уже на колесо. Поэтому
кавитационные качества таких насосов
в целом хуже, чем у насосов открытого
типа, и намного хуже, чем
у
центробежных насосов.
Из формулы (100) можно сделать
вывод, что кавитационные качества
насосов закрытого типа зависят от их
подачи. Чем ниже подача, тем хуже (в
отличие от насосов открытого типа )
5 1

52.

Кафедра Э-10 Динамические насосы
52
52

53.

Работа вихревого насоса на газе (самовсасывающая
способность)
Насосы закрытого типа и открытого с открытым каналом на газе
работают (без дополнительных устройств)
не
Работают: А: Насосы открытого типа с глухим каналом
Б: Насосы открытого типа с каналом, открытым к центру
И те и другие работают на газе, будучи предварительно заполнены водой,
по принципу «жидкого поршня», использующегося также в водокольцевых
вакуум-насосах. Для многоступенчатых насосов открытого типа
достаточно выполнять самовсасывающей одну (чаще последнюю) ступень.
В.Н. закрытого типа могут быть приспособлены к работе на газе за счет
установки напорного сепарирующего колпака, но это усложняет их
конструкцию и снижает КПД.
Кафедра Э-10 Динамические насосы
53
53

54.

Принцип «жидкого поршня»
применительно к вихревому насосу
открытого типа с глухим каналом
54

55.

55

56.

1.
2.
3.
4.
При работе вихревого насоса на газе возникают следующие
проблемы:
В силу малой плотности газа утечки газа через торцевые щели и
перемычку много больше, чем у жидкости, поэтому напор и КПД
насоса при работе на газе существенно ниже. Чтобы снизить
перетечки через торцевые щели, применяют принцип «жидкого
затвора» с подводом жидкости на малые радиусы торцевой щели
(см. следующий слайд)
Длительная работа на газе может привести к выходу из строя
уплотнений, поэтому необходимо либо ограничить время работы,
либо организовать независимую смазку уплотнений (можно
совместить с предыдущим пунктом)
КПД насоса открытого типа с глухим каналом мал, поэтому
либо
желательно
для
самовсасывания
использовать
дополнительную
ступень
(устаревшее
решение),
либо
дополнительный канал (что тоже снижает напор насоса)
Самовсасывание и работа на смеси газа и жидкости – разные
режимы, часто требования к ним не совпадают.
56

57.

57

58.

58

59.

59

60.

60

61.

1

62.

62

63.

Работа насосов закрытого типа в
режиме самовсасывания
Такие насосы могут быть выполнены
самовсасывающими с применением
дополнительных устройств, а именно:
1. Напорного сепарирующего колпака со
встроенным сепаратором
2. Предвключенного струйного насоса
3. Дополнительной ступени вихревого
насоса открытого типа с глухим
каналом
63

64.

64

65.

65

66.

66

67.

открытого типа
тип
насос
а
закрытого типа
с
с
глухим каналом,
канало открыты
м
мк
центру
с открытым каналом
работа
ет
работает
не работает, только с
подключением
дополнительной
ступени с глухим
каналом
не работает,
только с
сепарирующим
колпаком
на
работа
смеси
ет
ж+г
работает
не работает, только с
подключением
дополнительной
ступени с глухим
каналом
не работает
на
газе
Кафедра Э-10 Динамические насосы
67
67