CC BY
37
Е.Г. Иванов
ГИДРОРЫХЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ В ПОГРУЖНОМ ЛОПАСТНОМ НАСОСЕ
Я Я ри выборе и эксплуатации технических средств наряду с
И традиционными требованиями - необходимым уровнем надежности, набором технологических возможностей, высокой производительностью, низкой стоимостью и т. д. сейчас приобретает особую значимость такое качество, как эффективность. Этот показатель определяется энергоёмкостью выбранного принципа действия, а также способностью используемой технической системы фокусировать располагаемую мощность на рабочих функциях. Повышения плотности энергии можно достигнуть, как в пространстве, так и во времени, что позволяет меньшей мощностью достигать больших результатов. Причем указанное мероприятие целесообразно произвести за счет ресурсов используемой технической системы, зачастую обращая в пользу изначально вредные её качества.
Так, и центробежном насосе с полуоткрытым рабочим колесом и радиальными лопастями, размещенном с минимальным радиальным зазором в цилиндрическом корпусе с тангенциальным напорным патрубком, имеет место особый вид течения. Это течение обусловлено локальной областью разгрузки рабочего колеса - только на дуге, охватываемой напорным патрубком. В этом случае перед разгрузкой характер течений в межлопастном канале соответствует случаю нулевой подачи, поскольку межлопастной объём заблокирован с одной стороны соседними лопастями и диском вращающегося колеса, а с другой - передней крышкой и обечайкой неподвижного корпуса. Эти неподвижные поверхности корпуса за счет трения вызывают в лопастном объёме диагональное контрвихревое вращение жидкости (рис. 1).
Однако, в положении межлопастного канала, соответствующем началу разгрузки, в части межлопастного объёма, сопряжен-
Рис. 1. Структура потоков в области напорного патрубка
ной с тыльной стороной лопасти появляется расходный поток в напорный патрубок, который по мере вращения лопасти усиливается от входного отверстия в радиальном направлении
При приближении первой по ходу вращения лопасти к языку начинает проявляться диффузорность канала, что порождает зоны отрыва, а также усиление в них возвратного течения за счет последующего её доворота относительно направления оси потока. Причем зоны отрыва в этой конструкции насоса зарождаются на более ранних подачах и развиваются значительно интенсивней по причине разгрузки рабочего колеса лишь на дуге, охватываемой напорным патрубком.
После достижения первой лопастью языка увеличивающаяся в объёме отрывная область на периферийном участке экранируется обечайкой корпуса и становится закрытой. Структура и интенсивность вихревого возвратного течения определяется конфигурацией области отрыва, зависящей от степени экранирования обечайкой корпуса, и параметрами основного потока.
Рис. 2. Поля скоростей во всасывающей полости
Интенсивность вихревого возвратного течения возрастает вследствие импульсного действия гидравлического удара в момент смыкания последующей лопасти с языком. В итоге после прохождения рабочей стороной лопасти дуги напорного патрубка, возвратное течение области отрыва в межлопастном канале образует диагональный вихревой поток, начинающийся на рабочей стороне лопасти у ведущего диска, движущийся на периферии в сторону вращения колеса со смещением к передней крышке и выходящий из канала с тыльной стороны предыдущей лопасти у выходного отверстия. Причем этот поток имеет на периферии скорость, превышающую окружную скорость вращения колеса.
Другим важным обстоятельством, которое оказывает существенное влияние на это вихревое течение, является входной поток, ориентация которого обусловлена градиентом давления в направления зоны разгрузки колеса, то есть напорного патрубка (рис. 2).
Анализ результатов измерений показывает:
- в придисковой области колеса рабочая жидкость за счет сил трения имеет вращательное движение;
- в сечении перед входным отверстием корпуса направление потока сориентировано в напорный патрубок по всему сечению входного отверстия;
- в промежуточных сечениях наблюдается постепенный переход от одной конфигурации потока к другой;
- местоположения изменения направления движения рабочей среды (см. угловые отметки рис. 2) по сечениям образуют граничную поверхность;
- при возрастании подачи объём, занимаемый входным поступательным потоком, превышает объём вращающегося потока и происходит рост угловой величины, на которой имеет место встречное движение рабочей среды и вращающихся лопастей рабочего колеса;
- протяженность этой угловой величины составляет в = arccos Dj/D2 ,
где Dj - диаметр входных кромок рабочего колеса; D2 - наружный диаметр рабочего колеса.
Следовательно, вдоль лопасти и после прохождения ею языка также имеет место поддерживающееся относительное движение рабочей среды, скорость которого определяется векторной суммой скоростей входного потока и движения лопасти
V = Vq + V
Указанное обстоятельство является причиной усиления рассматриваемого диагонально-вихревого потока и позволяет воздействовать на его интенсивность, поскольку направлением входного потока можно в некоторой степени варьировать, например, величиной подачи, наличием или отсутствием всасывающего патрубка, а также его пространственной ориентацией (рис. 3).
Следовательно, возвратное течение в области отрыва в момент прохождения межлопастным каналом напорного патрубка и течение по рабочей стороне лопасти от входного потока после прохождения ею языка создают диагональный в рассматриваемой форме межлопастного объёма вихревой поток. В результате действия этого течения рабочая среда на периферии движется с окружной скоростью, большей чем окружная скорость вращения колеса (рис.4, сектор 1).
Интенсивность этого вихревого течения определяется параметрами входного потока:
- скоростью, то есть подачей насоса;
- его пространственной ориентацией;
а) б)
Рис. 3. Визуализация вихревого течения, обусловленная конструкцией напорного патрубка: а) не усиленного входным потоком; б) усиленного ориентацией напорного патрубка
- степенью взаимодействия его с лопастной системой (путем подрезания передней крышки в области входного отверстия).
Одним из негативных проявлений этого течения является его переход во вторичное течение во всасывающей полости и далее в подводной патрубок или внешнее пространство. Причем, начало обратных токов определяется моментом прохождения лопастью языка, то есть угловой величиной в = 2п/z , удаленной от языка в направлении вращения колеса.
Начало снижения его интенсивности определяется окончанием прохождения этой лопастью участка, где входной поток направлен против её движения, то есть угловой величиной (рис. 4, сектор 1)
в2 = arccos DjD2 + 2я/z .
Видоизменение структуры течений в межлопастном канале при последующем его движении определяется соотношением интенсивностей рассмотренного диагонально-вихревого течения и действия сил трения на жидкость в межлопастном объёме о неподвижные внутренние поверхности передней крышки и обечайки корпуса. При значительной величине интенсивности
Рис. 4. Структура течений в лопастном насосе с тангенциальным напорным патрубком
Рис. 5. Расположение рыхлительных патрубков
вихревого течения оно сохраняется на всем пути движения межлопа-стного канала вплоть до напорного патрубка (рис. 4, а).
На режимах пониженных подач при неблагоприятной ориентации входного потока доминирующим оказывается действие сил трения о неподвижные поверхности корпуса. Поэтому по ходу движения межлопастного канала интенсивность вихревого течения, обусловленного конструкцией напорного патрубка, ослабевает. В этом случае в пристенной области появляется вихревой поток с радиальной осью вращения, который, взаимодействуя с рассматриваемым течением, доворачивает его поскость вращения в положение, параллельное плоскости вращения рабочего колеса (рис. 4, сектор 2) и этим снижает интенсивность обратных токов.
По мере дальнейшего движения межлопастного канала на характер потоков рабочей среды преимущественное влияние оказывает действие сил трения, то есть осуществляется переход к схеме, сответствующей случаю нулевой подачи с повторным возрастанием интнсивности обратных токов (рис. 4, сектор 3).
Представляет практический интерес установленная в данной конструкции особенность своеобразной структуры течений в меж-лопастных пространствах на аномальном участке, ограниченным языком и угловой величиной 02, где рабочая среда имеет окружную составляющую скорости, превышающую скорость колеса. Абсолютная скорость движения жидкости в данном случае складыва-
ется из переносной скорости рабочего колеса и2 и составляющих относительной скорости диагонального вихревого течения, окружной Уокр, и торового вращения Утор. вр.. Следовательно, на указанном участке имеется возможность получить приращение напора
и2 V2 + V2
Н _ и 2 + окр тор.вр.
g 2g ’
что, например, дает возможность к низконапорному насосу достроить высоконапорную совмещенную гидрорыхлительную систему, путем установки одного или нескольких отборных рыхли-тельных патрубков в выявленной области.
Тангенциальная стенка каждого рыхлительного патрубка, с целью предотвращения его от забивания, выполнена качающейся, в виде части обечайки и снабжена приводом, обеспечивающим их периодическое открытие. Закрытие - открытие каждого патрубка осуществляется гидроцилиндром, управляемым электромагнитным золотником от электронного реле блока.
Отборные каналы обеспечиваются двумя комплектами сменных насадок:
- первый комплект предназначен для работы на облицованных каналах, рабочий орган снабжен элементами качения. Каж-
темой
дая патрубок-насадка крепится к неподвижному корпусу и направлена в сторону всасывающего зева грунтозаборника.
Второй комплект предназначен для использования на водоёмах в земляном русле с грунтами первой и второй категорий, когда МРО крепится к стреле на дополнительных кронштейнах с вертикальной ориентацией оси вращения рабочего колеса. Каждая насадка ориентирует рыхлительные струи в направлении входного отверстия и крепится к подвижным рычагам заслонок, что позволяет при работе производить не только поочередное действие рыхли-тельных струй, но и их сканирующее действие при открытии и закрытии заслонок.
Предложенный вариант гидрорыхлительной системы имеет преимущества:
- применено встречное направление действия струи, которая воздействует на нижние плотные слои наносов, верхние слои более рыхлые разрушаются при обвале;
- используется сосредоточенная струя, которая меньше подвержена затуханию и более эффективно воздействует на массив грунта;
- использование разнесенных в пространстве рыхлительных патрубков позволяет снизить энергоемкость рыхления;
- каждой из поочередно работающих рыхлительных струй присущ импульсный характер воздействия на массив грунта, что обеспечивает большую проникающую способность струи и разрушающую силу;
- рыхление производится гидросмесью, что обуславливает более высокую плотность струи, её большую кинетическую энергию, большую рыхлительную способность, меньшую затухаемость;
- рыхление гидросмесью в большей степени повышает консистенцию разрабатываемого материала, так как в этом случае отсутствует эффект разбавления разрыхленного грунта чистой водой рыхлящей струи;
- проточные каналы рыхлительных патрубков имеют достаточные размеры сечений для прохождения кусковых включений и водной растительности, что сокращает простои во время работы от забивания;
- гидрорыхлительная система обеспечивает меньшие гидравлические и механические потери поскольку представляет собой отдельный компактный модуль;
- гидрорыхлительная система агрегатируется на съёмной части корпуса и при необходимости может быть заменена обычной нижней половиной корпуса.
Результаты испытаний МРО с совмещенной гидрорыхлитель-ной системой (1989-1990 гг.) показали, что при работе на облицованном канале глубиной по уровню воды 1,2 метра очистка производилась за два прохода, работа рыхлительных патрубков обеспечивала эффективный размыв наносов, зачистку по дну и противоположному откосу, а также смыв растительного слоя.
Рис. 1оРДоошМуШ тмштшщмиМшзт™11™™ система
Дальность действия сосредоточенной рыхлительной струи по визуальным наблюдениям составила не менее 5 м (рис. 15), что даёт возможность повысить скорость рабочего перемещения базовой машины до 450 м/час., увеличив тем самым производительность очистки по отношению к существующим устройствам. Объёмная консистенция смеси, по результатам замеров, составила более 30 %, что при подаче насоса 270 м3/час. обеспечивает производительность по грунту не менее 80 м3/час.
Ресурс повышения консистенции по условиям гидротранспорта составляет 60%, следовательно, разработка высоко производительных и эффективных гидрорыхлительных систем является ключевой задачей, обеспечивающей устранение «узкого» места при производстве работ гидромеханизированным способом, поскольку реальная консистенция в большинстве случаев составляет лишь 1012 %.
Следует также отметить тот факт, что предлагаемая гидрорых-лительная система может быть установлена не только на недостаточно эффективный насос (данный вариант обусловлен необходимостью обеспечения многофункциональнсти используемого рабочего органа) - она может быть размещена также и на классическом варианте насоса путем:
- установки площадки-обечайки;
- создания условий взаимодействия лопастной системы рабочего колеса и входного потока;
-использования радиальных лопастей в рабочем колесе. Степень плотности энергии в рыхлящей струе в этом случае будет определяться балансом между необходимым уровнем эффективности основного насоса и требованием к интенсивности рыхлящей струи, с учетом конечного результата по итоговой выработке грунта. Соотношение этого баланса будет определять угловой размер площадки-обечайки.
— Коротко об авторах ------------------------------------------
Иванов Е.Г.- Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия.
