Использование комбинированных отводов с лопаточным аппаратом, создающим добавочный момент скорости потока, в насосостроении

Summary

The article considers the possibility of using combined outlet vaned devices with the purpose to the weight and dimensions of centrifugal pumps

Комбинированные, или составные, отводы используются в насосостроении достаточно давно и соответственно являются предметом внимания создателей насосного оборудования [1]. Под ними понимают отводящие устройства насосов, состоящие из лопаточного, канального или безлопаточного диффузорного отвода (ЛО) в сочетании со спиральным или кольцевым отводом (СО) [2]. Как у любого отвода насоса, так и у комбинированного обязательной составной частью является также напорный патрубок тех или иных форм и размеров. Назначением ЛО в составе комбинированного отводящего устройства (КО) являются, как правило, в конструктивном плане выполнение функции несущего статорного элемента в общей конструкции насоса и в гидродинамическом отношении (в плане участия в осуществлении рабочего процесса насоса) разгрузка ротора насоса от действия радиальной силы гидродинамического происхождения. Поскольку ЛО являются элементом проточной части (ПЧ) насоса, то уже само его наличие определяет круг дополнительных вопросов относительно степени и формы его влияния на рабочую характеристику насоса. В этом плане можно выделить два основных самостоятельных вопроса. Первый - уровень гидравлических потерь энергии в таком отводе и степень их влияния на гидравлический и общий КПД насоса. Второй - степень влияния на местоположение оптимального по КПД режима работы насоса по подаче. В части последнего - использование общепринятого подхода к определению степени и характера влияния на местоположение оптимума в насосе пропускной способности отдельного спирального отвода [2] применительно к комбинированному отводу нужного результата не дает. Вопрос о пропускной способности КО является самостоятельным и не до конца изученным.

В части наиболее значимой и наименее исследованной области использования КО в насосостроении можно назвать диапазон параметров, обеспечиваемый ПЧ насосов со значениями коэффициента быстроходности (ns), находящимися в диапазоне . В данном случае под коэффициентом быстроходности ПЧ насоса мы понимаем общепринятую [2] его величину

,

где n - частота вращения ротора насоса, об/мин; - подача насоса, м3/с; Н - напор насоса, м; m - число параллельно установленных рабочих колес (РК) насоса (многопоточная конструктивная схема ПЧ); i - число последовательно установленных РК насоса (многоступенчатая конструктивная схема ПЧ).

Безусловно, названные границы значений указанного диапазона величин ns не являются жестко ограниченными. Практически во всем диапазоне промышленно значимых величин комбинированные отводы (канальный направляющий аппарат плюс кольцевой отвод) используются в составе концевых ступеней многоступенчатых центробежных насосов. Диапазон на практике покрывается в основном осевыми насосами, имеющими в своем составе также своеобразный комбинированный отвод, состоящий из выпрямляющего аппарата и коленного отвода с проходным валом внутри. С учетом сделанных оговорок ниже остановимся на насосах с . Изложенное по отношению к ним достаточно легко может быть трансформировано применительно к подобным вопросам касательно насосов со значением коэффициентов быстроходности ПЧ, находящихся вне указанного диапазона, тогда как обратная трансформация либо затруднительна, либо вообще не возможна.

Задачи практики предопределили необходимость поиска путей снижения массогабаритных показателей лопастных насосов. Одним из результатов указанных поисковых работ стало создание диагонального () двухпоточного насоса с комбинированным отводом [3]. Лопаточный отвод в составе КО указанного насоса выполнен не стандартным, а именно, не с диффузорным [4], а с конфузорным характером течения в нем от входа к выходу. Преследовалась цель увеличить в ЛО момент скорости (К) протекающего в нем потока и тем самым уменьшить габариты расположенного за данным ЛО спирального отвода (СО) насоса путем уменьшения требуемой от СО пропускной способности [2]:

насос лопаточный отвод составной

,

где - момент скорости потока на входе в СО; - радиус входа в СО; - окружная составляющая абсолютной скорости потока на входе в СО.

Таким образом, в результате выполнения работы [3], с одной стороны, была показана возможность использования ЛО в составе КО насосов в новой роли - как технического средства, являющегося составной частью ПЧ насоса и способствующего улучшению его массогабаритных характеристик при одновременном выполнении возложенной на него традиционной задачи - статорный элемент ПЧ, обеспечивающий разгрузку ротора насоса от действия на него гидродинамической радиальной силы. С другой стороны, полученные экспериментальные данные [3] показали, что общепринятые [2] способы проектирования элементов ПЧ насоса применительно к выбранной конструктивной схеме с требуемым расчетным значением коэффициента быстроходности, приемлемого для практики, конечного результата не обеспечивают. Как стало ясно в последствии, причина относительно неудачного конечного результата заключалась не только в отсутствии необходимой методики проектирования ЛО нового типа и в целом КО с рассматриваемым ЛО в его составе. Проблемными вопросами в данном случае оказались также неопределенность в методических подходах к проектированию рабочего колеса и аналогичная ситуация в отношении подводящего устройства (ПУ). Наличие указанных нерешенных задач подтвердилось результатами экспериментального определения [5] распределения осредненного момента скорости потока за элементами ПЧ рассматриваемого насоса. Вместе с тем был сделан и другой вывод - реализация рассмотренной схемы конструирования насосов может оцениваться как новый общий подход к решению задачи улучшения массогабаритных показателей лопастных насосов в целом [6,7,8]. Из последнего вытекает вывод об актуальности для насосостроения поиска решений относительно самостоятельных частных задач по разработке обоснованных методик проектирования для элементов: подводящих устройств, создающих требуемый момент скорости потока перед РК; рабочих колес, имеющих на своем входе произвольный момент скорости потока перекачиваемой жидкости; комбинированных отводов с ЛО, создающих добавочный момент скорости протекающего через них потока, в их составе.

Ниже остановимся на краткой характеристике сегодняшнего состояния вопросов проектирования отдельных элементов рассматриваемой ПЧ (ПУ, РК, ЛО), но предварительно оговоримся о следующем. Согласно [6] можно говорить о трех самостоятельных путях улучшения массогабаритных показателей рассматриваемых насосов. Первый - путем создания дополнительного момента скорости потока только перед РК подводом, второй - путем создания дополнительного момента скорости потока на входе в СО только лопаточным отводом и, наконец, третий путь - добавочный момент скорости потока, приводящий к уменьшению габаритов СО, создается совместно как подводом, так и лопаточным отводом. Будем полагать, что сказанное выше в совокупности характеризует практически один, последний в изложенном списке, способ. Остальные два случая (при и при ) являются не более чем частными следствиями основного (и ) способа. Снова же и по отношению к последнему случаю необходима дополнительная оговорка с учетом сегодняшних данных по рассматриваемому вопросу. До этого имелось в виду наличие только положительного значения момента скорости потока перед РК (). Мы имеем в виду общепринятый [2] способ определения знака момента скорости потока в ПЧ насоса - он положительный в случае, если направление закрутки потока и направление вращения РК насоса совпадают между собой, и отрицательный в противоположном случае. Отметим, что в настоящее время доказаны [9] возможность и экономическая целесообразность создания насосов с разными не только по величине, но и по знаку моментов скорости потока перед РК лопастных насосов. На сегодняшнее время указанный вопрос достаточно полно проработан [10,11,12]. Будем иметь в виду, что последнее обстоятельство принимается во внимание при изложении рассмотренного ниже материала.

В части методики проектирования требуемых подводящих устройств можно констатировать - данный вопрос достаточно полно на сегодня проработан [13] и экспериментально доказана возможность качественного решения данной конкретной задачи [14]. В этом вопросе следует обратить внимание только на одно обстоятельство. В работе [13] получен результат - при больших значениях момента скорости потока, создаваемого подводом, в центральной его части возможно возникновение обратного течения. Последнее резко ухудшает общие показатели работы ПЧ и на практике насосы с такими подводами эксплуатировать экономически не целесообразно. Учитывая именно этот результат, в работе [7] сделано ограничение относительно максимально допустимого значения момента скорости потока перед РК насоса, создаваемого с целью улучшения массогабаритных характеристик последнего. Отметим, что сегодняшний уровень знаний по этому вопросу позволяет говорить о возможности снятия данного ограничения при соответствующем подходе к выбору минимального размера втулки РК насоса [15].

Относительно методики проектирования ЛО, находящегося в составе КО и создающего добавочный момент скорости потока, была и остается основной и наиболее значимой работа [16]. Остановимся на трех принципиально важных, с нашей точки зрения, моментах, установленных в ходе проведения исследований и разработки методики проектирования ЛО, работающего в составе КО и создающего добавочный момент скорости потока. В [7] со ссылкой на [16] указывается, что максимальное значение относительной величины изменения момента скорости потока в рассматриваемом ЛО может быть

,

где индексы "3" и "4" обозначают параметры соответственно на входе и выходе ЛО; - безразмерная величина момента скорости потока, вычисленная по зависимости

,

при этом - приведенный диаметр входной воронки РК,

где - наружный диаметр входной воронки РК; - внутренний диаметр входной воронки РК или диаметр втулки последнего.

Обращаясь к работе [16], можно видеть, что рассматриваемое ограничение () вытекает из экспериментально найденного ограничения на максимально допустимую величину эквивалентной диффузорности межлопаточных каналов рассматриваемых ЛО (). Не вдаваясь в обсуждение способа вычисления абсолютных значений , отметим следующее - ограничение по является следствием полученного ограничения по . В этом плане ограничение по понятно и причины его существования хорошо известны в гидромашиностроении [17] - попытки обеспечить максимально большой по величине угол поворота потока в лопастной решетке ограниченной длины. Из-за наличия конечной толщины профилей на выходе из решетки образуется узкая дросселирующая щель, являющаяся источником дополнительных гидравлических потерь энергии. Соответственно данное ограничение для рассматриваемых ЛО является принципиальным и его снятие в рамках рассматриваемой конструктивной схемы ЛО не представляется возможным.

Вторая важная особенность касается результатов исследования структуры течения в межлопаточных каналах ЛО. Несмотря на конфузорность течения наблюдается отрыв потока от стенок межлопаточных каналов ЛО. В данном случае мы обращаем внимание на имевшие место отрывы потока в меридианной проекции ЛО. Выходом здесь может быть только изменение формы меридианного сечения ЛО - уход от осерадиальной формы к чисто радиальной. Поскольку поворот потока из осевого направления в радиальное все равно необходим, можно обсуждать только два новых варианта реализации указанной необходимости. Первая очевидная - поворачивать поток в безлопаточном пространстве. Вместе с тем очевидность возможности осуществления поворота потока указанным способом не означает отсутствия отрыва потока от боковых стенок рассматриваемого безлопаточного пространства. Второе - осуществить поворот потока полностью в области рабочего колеса. Для этого колесо должно иметь осерадиальную меридианную проекцию. Качественно можно оценить положительно наличие такой возможности, принимая во внимание выявленную [18] связь между формой меридианной проекции РК и величиной и знаком момента скорости потока перед ним. Количественные данные относительно способа определения выходных геометрических параметров меридианной проекции РК на сегодня отсутствуют в отличие от входных данных [15]. Данный вопрос далеко не простой [19] и требуется его специальное изучение.

Наконец, третья особенность, касающаяся рассматриваемых ЛО. При выполнении работы [16] ее автором проводились сравнительные энергетические испытания модельного насоса для случая наличия в составе ПЧ насоса ЛО, закручивающего поток, и случая замены последнего безлопаточным отводом при прочих равных условиях. В некоторых случаях им обнаружен эффект, на который указал ранее А.Н.Машин применительно к центробежным насосам малой быстроходности. При снятии ЛО оптимум по КПД смещался в сторону больших от расчетных значений подач, но при этом в случае отсутствия ЛО абсолютная величина КПД насоса на расчетной подаче оставалась большей, чем при наличии ЛО. Другими словами, эффект от применения рассматриваемых ЛО в части возможности улучшения массогабаритных характеристик насосов является в общем случае не значительным. Основным резервом в этом плане остается использование закрутки потока перед РК подводом при условии наличия возможности создать для этих условий высокоэкономичные рабочие колеса.

Выводы

Таким образом, в свете сегодняшних представлений реализация рассмотренного пути улучшения массогабаритных показателей лопастных насосов должна вестись путем проведения исследований и разработки методики проектирования РК для вышеоговоренных условий работы в насосе.

Список литературы