Тепловые двигатели и нагнетатели

(часть 2)

Лекция № 31

назначений встречаются лопасти, отогнутые назад, радиальные и отогнутые вперёд.
Типы рабочих

лопастей центробежной машины:
а) лопасти отогнуты назад; б) лопасти радиальны; в) лопасти отогнуты вперёд

отогнута вперёд; при β2л = 90° лопасть радиальна и при

β2л < 90° лопасть отогнута назад. Во всех случаях угол на входе меньше 90°.

Одним из преимуществ нагнетателей с лопатками, загнутыми назад, является то, что потребляемая мощность при увеличении подачи по сравнению с расчетной не возрастает, а, наоборот, остается неизменной или даже снижается.

Давление при этом уменьшается, что также является преимуществом лопаток этой формы, так как при изменении сопротивления сети подача нагнетателя изменяется незначительно.

КПД, получаемый в результате небольших потерь срыва в межлопастных каналах,

и незначительным шумообразованием.

Насосы выполняются только с лопатками, загнутыми назад, поскольку вихреобразование может привести к возникновению кавитации.

Преимущества радиально оканчивающихся лопаток – небольшие потери на трение в межлопастных каналах; высокие коэффициенты давления и сравнительно высокие КПД.

при увеличении подачи, что вызывает перегрузку электродвигателя и усиление шума.

Нагнетатели

с радиально оканчивающихся лопатками находят применение в системах пневмотранспорта.

Преимущества нагнетателей с лопатками загнутыми вперед, являются высокое давления и большие подачи.

При этом окружные скорости меньше, чем при лопатках любой другой формы. Это позволяет применять рабочие колеса небольших диаметров и создавать экономически выгодные конструкции.

характеристики потребляемой мощности, что создает опасность перегрузки электродвигателя, небольшие КПД

и появлении значительного шума при высоких окружных скоростях.

Для обеспечения безударного входа потока на лопастное колесо входные кромки лопаток радиальных нагнетателей обычно устанавливают так, чтобы угол β1 был меньше 90º.

входному отверстию рабочего колеса.


Подвод правильной конструкции должен давать равномерное, осесимметричное

распределение потока по входному сечению рабочего колеса.


Несоблюдение этого условия снижает гидравлический КПД колеса и машины в целом.

форме прямолинейного конфузора при осевом потоке или спирального кожуха при

поперечном потоке.

Входная камера при осевом подводе жидкости к рабочему колесу насоса

Схема спиральной входной камеры переменного сечения

в его сечениях не должны быть высокими.

Проходные сечения подвода должны

постепенно уменьшаться в направлении движения, обеспечивая постепенное возрастание скорости до заданного значения скорости во входном сечении колеса.

Конструкции подвода и положение приемного отверстия подвода должны создавать удобное сопряжение машины с всасывающим трубопроводом.

Исследования показали, что форма, размеры и расположение подвода влияют не только на энергию, передаваемую потоку жидкости колесом, но и на все характеристики машины.

РК и частично преобразующую кинетическую энергию этой среды в потенциальную.

Известны

три типа отводов:
Кольцевой;
Спиральный;
Лопаточный.

РК машины.
Спиральный отвод представляется в виде криволинейного диффузионного канала 2,

окружающее РК и обычно комбинируемого с кольцевым отводом.

Центробежная машина с кольцевым и спиральными отводами

потерями и по возможности без нарушения осесимметричности потока в колесе.

При

этом скорость должна постепенно уменьшаться до скорости в начальном сечении напорного трубопровода.

С целью понижения скорости на выходе из напорного патрубка машины к спиральному отводу присоединяют конический диффузор 3 с углом раскрытия около 10°.

При трапециевидном и прямоугольном поперечных сечениях спирального отвода диффузор 3 служит и для перехода к круглому сечению выходного патрубка насоса, что необходимо для присоединения напорного трубопровода.

показывают опыты, движение реальных газов и жидкостей в кольцевых отводах

в основной части потока приблизительно подчиняется законам движения невязкой жидкости. 

Лопаточный отвод центробежной машины (многоступенчатого компрессора)

Канальный отвод центробежной машины (многоступенчатого насоса)

этих схем видно, что лопаточный отвод представляет собой неподвижную круговую

решётку с большим количеством лопаток (левый рисунок) или состоит из небольшого количества лопаток специального профиля, образующих межлопаточные каналы (правый рисунок).

от расчётного наблюдается отрыв потока от поверхности лопаток и вследствие

этого уменьшение КПД машины.

Большое влияние на работу центробежной машины оказывает радиальный зазор Δr между концами рабочих лопастей и входными кромками лопаток отвода.

При малых значениях  Δr  центробежная машина создаёт шум, нежелательный в условиях эксплуатации.

проявляется в том, что в нём:

Во-первых, происходят выравнивание скоростей с2, неравномерно

распределённых по окружности выхода из рабочего колеса;

Во-вторых, получается некоторый диффузорный эффект (преобразование кинетической энергии в давление).

В конструкциях центробежных насосов размер  Δr обычно не превышает 10 мм, а в компрессорах он может достигать нескольких десятков миллиметров.

больше полезной энергии, получаемой жидкостью или газом. Это объясняется тем,

что в процессе преобразования энергии, осуществляемой машиной, часть механической энергии неизбежно теряется вследствие гидравлических и механических потерь и утечек.

всей проточной части машины.
Если гидравлические потери составляют h, то РК должно

развивать напор  .

Оценка машины в отношении гидравлических потерь производится с помощью гидравлического КПД



Большое влияние на гидравлический КПД оказывает форма проточной части машины, чистота обработки внутренних поверхностей и вязкость жидкости.
Гидравлический КПД центробежных машин ηг = 0,8 ÷ 0,96.

(1)

(2)

РК и корпусом машины из зоны повышенного давления в полость

всасывания.

От потока, проходящего через РК машины и получающего в нём приращение энергии, отходит часть ΔQ подачи, проходящая через зазоры во входное сечение колеса.

Объёмные потери в ступени центробежной машины

а через зазоры циркулирует расход ΔQ, то через рабочее колесо

проходит расход Q+ΔQ.
Объёмный КПД



Объёмный КПД значительно зависит от значений радиального зазора δr. Высокий ηо может быть
получен только при малых значениях δr.

(3)

П и разгрузочные отверстия О (или отводную трубку, соединяющую П

с всасывающим патрубком насоса).

Это достигается уплотнительным устройством k (рисунок).

Значения современных центробежных машин лежат в пределах ηо = 0,96 ÷ 0,98.

Уравновешивание осевой силы при помощи отверстий в основном диске рабочего колеса

мощность, развиваемая рабочими лопастями, движущимися в потоке,



(4)

учитывает объёмные и гидравлические потери в машине, кроме потерь от

дискового трения.

(5)

(6)

(7)

вследствие механического трения в подшипниках и уплотнения вала и гидравлического

(газового) трения внешних поверхностей колёс.

Влияние механического и гидравлического трения также может быть учтено общим механическим КПД




Для современных центробежных машин ηм = 0,92 ÷ 0,95.

(8)

подшипников машины. Применение подшипников качения повышает механический КПД, а также

чистота и регулярная смазка.

Из сопоставления выражений (7) и (8) следует





Полный КПД машины

(9)

машины в целом и для современных центробежных машин составляет η

= 0,75 ÷ 0,92.

(10)

определяется формулой

высокую окружную скорость. Однако окружная скорость ограничена условиями прочности колёс

и кавитацией.

В насосах, подающих воду и технические жидкости, скорость вращения, а следовательно и напор лимитируются обычно условиями возникновения кавитации.

В промышленных условиях для получения высоких напоров применяются многоступенчатые центробежные насосы.

колёса которых сидят на общем валу и соединены последовательно.

Представление о

такой семиступенчатой машине даёт рисунок

Схема многоступенчатой центробежной машины

машины равен сумме напоров отдельных ступеней.

Обычно при подаче несжимаемых жидкостей

геометрические размеры всех ступеней одинаковы, поэтому полный напор такой машины равен сумме напоров всех ступеней. Часть продольного сечения многоступенчатой машины представлена на рисунке

Продольный и поперечный разрезы многоступенчатой центробежной машины

2 первой ступени машины, откуда, восприняв от лопаток некоторое количество

энергии, он выбрасывается в направляющий аппарат 3 этой ступени. Затем, обогнув диафрагму 4, отделяющую первую ступень от второй, поток проходит обратный направляющий аппарат 5 между первой и второй ступенями и поступает в рабочее колесо второй ступени. Из второй ступени поток направляется в третью и т.д. Обратный направляющий аппарат является характерным элементом многоступенчатой центробежной машины.

обладает значительными тангенциальными составляющими абсолютной скорости, т.е. он закручен относительно

оси машины.

Если такой поток будет подведён к лопастям рабочего колеса второй ступени машины, то здесь он может получить приращение энергии, обусловленное лишь разностью окружных скоростей выхода и входа.

– приращение энергии

ступени и входом в рабочее колесо второй ступени расположить лопаточное

направляющее устройство, обеспечивающее радиальный вход в рабочее колесо второй ступени, то последнее будет работать столь же эффективно, как и рабочее колесо первой ступени, передавая жидкости удельную энергию (удельную работу), определяемую по формуле



Назначение обратного направляющего аппарата заключается в устранении закручивания потока с целью эффективной передачи энергии потоку в последующей ступени машины.

воду, создают напоры до 4000 м. Имеются насосы с числом

ступеней до 30.

В случаях, когда центробежная машина при заданном напоре должна обеспечивать такую подачу, что размеры проточной части (например, ширина лопасти на выходе) окажутся конструктивно неприемлемыми, применяют параллельное соединение рабочих колёс.

Такие машины называют многопоточными.

типа со ступенями давления.
Такие машины состоят их двух или

четырёх групп ступеней давления.
В каждой группе ступени включены последовательно с целью повышения напора, а группы ступеней включены параллельно.
На рисунке приведена схема работы трёхступенчатой двухпоточной центробежной машины с симметричным расположением ступеней и их групп