CC BY
20УДК 629.7.036 621
ПАРАМЕТРЫ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА С КОНФУЗОРНЫМ КОЛЕСОМ НА
ПОВЫШЕННОМ РЕЖИМЕ
Боровский Б.И,
ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского»,
Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение),
Адрес: г. Симферополь, ул. Киевская, 181.
Е-таП: tim4enko.zin@yandex.ru
Аннотация: В статье показано, что центробежный насос с конфузорным колесом на повышенном режиме, превышающим расчётный режим, т.е. режим максимума КПД, обеспечивает КПД существенно выше, чем насос с диффузорным колесом. В то же время на расчётном режиме экономичность центробежного насоса с конфузорным колесом незначительно превышает экономичность центробежного насоса с диффузорным колесом. Это, как будет показано, связано с тем, что течение в конфузорном колесе увеличивает теоретический напор колеса. Экспериментальные исследования центробежных насосов с конфузорными колёсами показали, что с увеличением конфузорности повышается напор и КПД насоса при снижении уровня пульсаций и вибраций насоса. При этом повышение напора значительное.
Ключевые слова: Центробежный насос, конфузорное колесо, конфузорное течение жидкости, теоретический и действительный напоры, экономичность насосов.
Введение
Насосы входят в различные технические системы, в том числе, в системы жизнеобеспечения зданий и сооружений. Они определяют их надёжность, ресурс, технико-экономические характеристики и энергоэффективность. Поэтому создание энергоэффективных насосов с высокими эксплуатационными и рабочими характеристиками является актуальной проблемой. При проектировании центробежных насосов с конфузорностью необходима предварительная оценка их экономичности, в том числе, на повышенных режимах.
Анализ публикаций
В работе [1] теоретически решена задача обтекания решётки профилей центробежного колеса. Показано, что характер течения существенно различается в зависимости от конфузорности межлопастного канала колеса, определяемой отношением площадей колеса на входе и выходе:
О^^тДл
8 > 0 . При конфузорных колёсах Б/ Б2 > 1 угол отставания потока оказывается отрицательным, 8 < 0, и поэтому угол потока на выходе больше угла лопасти, /32 > /32л. В связи с этим возможны
значения К2 > 1, К2 < 0 и Нт > Нт<» . В частности,
возможно Нт > 0 при Нтш < 0 .
Изложенное показывает, что в конфузорном колесе характер течения обеспечивает повышение напора без увеличения наружного диаметра и частоты вращения колеса. Конфузорность течения определяется отношением скоростей потока на выходе и входе в колесо
£ = Ь1 £
Ь2
(2)
где = . О,
Ц/=-
(1)
02Ь2§тДл
где цифрами 1 и 2 обозначены параметры колеса на входе и выходе.
В случае диффузорных колёс Б1/ Б2 < 1, при конфузорных колёсах Б1/ Б2 > 1 . Для диффузорного колеса коэффициент влияния конечного числа лопастей К2 всегда меньше
единицы (0 < К2 <1), Нт < Нтш (теоретический напор колеса всегда меньше теоретического напора при бесконечном числе лопастей), а угол отставания потока на выходе колеса от направления лопастей 8 = /32л — Р2 является положительным,
Угол потока на выходе колеса находится из формулы
(1 — Нт )
С2т
Н Т
где Нт =—2" и2
с2т ="
с 2
22 Эти особенности течения в конфузорном центробежном колесе экспериментально
подтверждены при испытаниях конфузорного колеса (Б1/ Б2 = 2,2 ; /32п = 10° ). Колесо работало в свободном пространстве без спирального сборника, углы потока на выходе колеса непосредственно измерялись [2]. В работах [3] и [4] испытания центробежных насосов со спиральными отводами показали энергетическую эффективность
использования конфузорных колёс с большой степенью конфузорности. Исследования [5], проведенные на насосе с диффузорным и конфузорным колёсами показали, что насосу с конфузорным колесом соответствуют меньшие пульсации и вибрации. В работе [6] получены соотношения для оптимизации конфузорных колёсах с учётом скорректированных по экспериментальных данным расчётных
соотношений [7] . Работа [8] содержит модель расчёта экономичности центробежных насосов с конфузорными колёсами на расчётном режиме. Однако отсутствует объяснение, почему на повышенных режимах выигрыш в экономичности значительный , достигающий 19%.
Цель и постановка задачи
0,7 0,6 15
Целью статьи является разработка модели оценки экономичности центробежных насосов с конфузорными колёсами на повышенных режимах. Задача состоит в сравнении расчётных и экспериментальных данных и расчётного сопоставление показателей насосов с конфузорным и диффузорным колесами.
Метод исследований
Методом исследований является анализ литературных данных с последующим математическим способом разработки модели оценки экономичности центробежных насосов с конфузорными колёсами на повышенных режимах.
Основная часть
На рисунке приведены экспериментальные характеристики вариантов центробежного насоса с конфузорными колёсами.
¿Л
// V - х2 Чл]
//
Н
0,4 0,3 0,2
■
1
Ч'.з
0,Од 0,/0 0,14 0,18 0,22 0,06 0,10 0,14 0,18 0,22 Сгт/иг
Некоторые геометрические и экспериментальные параметры этих вариантов даны в табл. 1.
Таблица 1.
Данные испытанных вариантов центробежного насоса (Б1 = 0,53, Ъ = 7)
Вариант Р1л, град. Р2л, град. Р1/ F2 с2тр п макс Пмакс/ Пмакс.4 с 2т = 0.22, п/ П4 с 2т = 0.22, Н/Н4
1 78,5 9 11,24 0.18 0.71 1.043 1.19 1,80
2 58,5 20 4,47 0.18 0.70 1.015 1.10 1,65
3 37,0 20 3,16 0.16 0.69 1.0 1.04 1.35
4 25,5 20 2,26 0.14 0.69 1.0 1.0 1,0
Приведём дополнительные параметры вариантов насоса: Ь1= 22 мм; Ь2 = 6,5 мм; Б2 = 86 мм; 0 = 17,1 л/с; п = 12000 об./мин.
Вариант 4 наиболее близок к диффузорному колесу. В табл. 1 различная конфузорность вариантов насоса приводит к отличию в пмакс в пределах 4.5% что близко к превышению п™с насоса с конфузорностью над кпд насоса с диффузорность, 3.4% [8]. Вместе с тем, на
повышенном режиме с2т = 0,22 это отличие составляет уже 19%.
В работе [8] приведены соотношения для
расчёта теоретического напора Нт конфузорного колеса на различных режимах и потерь энергии на расчётном режиме.
Потери энергии в колесе определяются по формуле :
Ьк = 0,5£к Б ,
где = 0,15 +
0,18
I0,77 " Ь ц ).
Удельная работа циркуляционных си Б:
( Г, \
Б
Ь ц =-
1 У
Нт
Потери в спиральном отводе складываются из потерь в спиральном сборнике и коническом диффузоре:
Ьотв = 0,5^отвНт2
где ^отв = + £кд (сг /с 2и )2 (для других видов отводов [9]).
Коэффициент потерь в спиральном сборнике
£ = 1,1 + 1,45(сг_/с2и )2 - 2,4(сг /с2и )ос8 а2,
где tg«2 = сг/с2и = 0,55 - 0,65. Н т
Коэффициент потерь в коническом диффузоре
£кд = (Рвых/^ -1)1/3,
где индекс «г» соответствует горлу отвода (вход в конический диффузор),
« = 2аг^ (Р вых - Рг) , э 2 • 1
где
в, = |Л
л
1/2
- эквивалентный
диаметр горла отвода.
Гидравлический КПД
^ = 1 - - 0,5£твНт .
Нт
Полный КПД п определяется произведением гидравлического КПД, объёмного, дискового и механического КПД [ 8]. В нашем случае эти КПД, соответственно, равны 0.98, 0.99, 0.97. Действительный напор
Н = Нт - Ьк - Ьотв .
На режимах Q = Р/Рр > 1 потери в колесе не изменяются, а коэффициент потерь в отводе [ 9]:
£ = £
Ъ отв ^(
отвр + А 2
( — Л
1 - Р •^ Н т
где при <0.21 А 2 = 0.32, при£д > 0.21 А2 = 5.8£кд -0.9.
Результаты расчётов по приведенной методике приведены в табл.2
Таблица 2.
Вариант с2тр Нтр ^кд ^отвр с2т Р Н т
1 2 3 4 5 6 7 8
1 0.18 0.702 0.25 0.30 0.22 1.17 0.694
4 0.14 0.570 0.25 0.30 0.22 1.57 0.437
продолжение табл.2
^отв Ьотв Ьк п П1/П4 Эксп.,п1/ П4 Н1/Н4 (Н1/Н4)эксп
9 10 11 12 13 14 15 16
0.319 0.076 0.03 0.796 1.19 1.19 1.88 1,80
0.900 0.084 0.04 0.670
Результаты расчётов, приведенные в табл 2, показывают, что расчёты хорошо согласуются с экспериментальными данными. Уменьшения КПД и напора варианта (4) вызваны большим
отклонением режима с2т от расчётного режима, чем в варианте (1). Уменьшение теоретического
Таблица 3.
напора, по сравнению с расчётным, составляет 32%, коэффициент ^отв увеличился в 3 раза. Отметим, что выигрыш в кпд 19%, а в напорности 80%.
В табл. 3 приведены результаты расчётов насоса с оптимальной конфузорностью и насоса с диффузорностью, которые исследованы в работе [8].
колесо с 2тр Нтр ^кр ^отвр с2т Р
1 2 3 4 5 6 7
конфузорное 0.18 0.811 0.05 0.37 0.22 1.17
диффузорно е 0.18 0.410 0.30 0.45 0.22
продолжение табл. 3
Н т Ьк Ьотв п пк/ пд Н Нк/Н д
8 9 10 11 12 13 14
0.806 0.007 0.135 0.775 1.11 0.662 2.78
0.321 0.042 0.042 0.697 0.238
Из табл. 3 видно, что на режиме с2т = 0,22 насос с конфузорным колесом имеет несколько меньший выигрыш по КПД (11%), что связано с меньшим отличием этого режима от расчётного
режима, однако выигрыш в напоре значительный, в 2.78 раз.
Выводы
1. Предложена модель оценки
экономических и напорных показателей насосов с
2
конфузорными колёсами на повышенных режимах. Показано, что расчёт практически совпадает с экспериментом.
2. Расчётные исследования показали, что насосы с конфузорными колесами имеют значительно выше кпд, чем насос с дифузорным колесом на повышенных режимах. При этом напорность насоса с конфузорным колесом значительно превышает напорность насоса с дифузорным колесом (превышение в 1.8 и 2,78 раз). Это соответствует необходимости существенного увеличения диаметра и частоты вращения дифузорного колеса для получения такой напорности.
Список литературы
1. Черняк, А. П. Зависимость коэффициента и реактивного колеса центробежного насоса от его геометрических параметров и режима работы / А. П. Черняк // Лопаточные машины и струйные аппараты. -1966. - № 1. - С. 176- 203.
2. Локшин И. Л. Применение результатов исследования вращающихся круговых решёток к аэродинамическому расчёту колёс центробежных вентиляторов / И.Л.Локшин // Промышленная аэродинамика. - 1963. - № 25. - С.121 - 183. .
3. Чебаевский В.Ф. Отклонение потока на выходе колеса центробежного насоса / В. Ф. Чебаевский В.И. Петров Б.И Боровский, Г.Т.
Ввозный // Энергомашиностроение, 1969. - № 2. - С. 16 - 18.
4. Боровский, Б.И. Высокооборотные лопаточные насосы / Б.И.Боровский, Н.С.Ершов, Б.В.Овсянников [и др.] //Под ред. Б.В.Овсянникова и В.Ф. Чебаевского. - М.: «Машиностроение», 1975. - 336 с.
5. Боровский Б.И. Исследование пульсаций и вибраций центробежного насоса с конфузорным колесом / Б.И.Боровский, В.И.Петров, А.И.Чучеров [и др.] // Гидрогазодинамика и тепломасообмен летательных аппаратов. - 1988. - С.22 - 25.
6. Боровский Б.И. Гидродинамическая оптимизация конфузорного колеса центробежного насоса / Б.И.Боровский // Сб. Строительство и техногенная безопасность 2016. №55.
7. Шестаков К.Н. Расчётно-теоретическая оценка коэффициента теоретического напора центробежного колеса / К.Н. Шестаков // Тр. ЦИАМ. -1980.- 32с.
8. Боровский Б.И. Оценка экономичности центробежных насосов с рабочими конфузорными колесами /Б.И.Боровский, В.И.Петров//Сборник «Строительство и техногенная безопасность», 2016 №57.
9. Боровский Б.И. Энергетические параметры и характеристики высокооборотных лопастных насосов /Б.И.Боровский.- М.: « Машиностроение», 1989.- 184с.
Borovsky B. I.
PARAMETERS OF THE CENTRIFUGAL PUMP WITH THE CONVERGING WHEEL IN
ELEVATED MODE
Abstract: In article it is shown that a centrifugal pump with a wheel converging at a higher mode than the design mode, i.e. the mode of maximum efficiency, achieves efficiencies substantially higher than the pump with the diffuser wheel. At the same time in design mode, the efficiency of the centrifugal pump with the converging wheel slightly higher than the efficiency of a centrifugal pump with diffuser wheel. This, as will be shown, due to the fact that the flow in the converging wheel increases the theoretical pressure of the wheel. Experimental study of centrifugal pumps with converging wheels showed that with increasing confusingly increases the pressure and the pump efficiency while reducing pulsation and vibration of the pump. This increase in pressure is significant.
Key words: Centrifugal pump, the confused wheel, the converging liquid flow, theoretical and actual pressure, the efficiency of the pumps.
