Лопастный насос

 

Сущность изобретения: обеспечение устойчивой работы гидравлической системы с лопастным насосом путем повышения напора на режимах малых подач. В насосе, состоящем из рабочего колеса 1 и входного патрубка 5, где установлена перепускная камера 2 с направляющей лопастной решеткой Р 3, лопатки 4 Р 3 выполнены серповидными. Р 3 расположена от колеса 1 на осевом расстоянии, равном 0,3 0,5 калибра диаметра патрубка 5. Лопатки 4 Р 3 на входе установлены под углом 25 - 30°, а на выходе - под углом 150 - 160° относительно фронта Р 3. 2 ил.

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано в насосостроении при проектировании насосов с широким эксплуатационным диапазоном работ по подаче.

Известна конструкция лопастного насоса, в котором перед рабочим колесом установлена перепускная камера, которая устраняет кавитационные автоколебания на тех режимах, когда обратные токи полностью отбираются камерой [1].

Однако конструкция не является эффективной с энергетической точки зрения, поскольку в перепускной камере происходит практически полная потеря энергии закрутки противотоков.

Наиболее близким техническим решением является конструкция лопастного насоса с перепускной камерой, в которой установлена спрямляющая решетка, служащая для преобразования кинетической энергии "закрученных" противотоков в статическую энергию давления. В спрямляющей решетке происходит полная раскрутка потока, т.е. угол потока на выходе из решетки равен приблизительно 90^о. Применение такой конструкции насоса приводит к улучшению его антикавитационных свойств на режимах малых подач [2].

К недостаткам данной конструкции относится слабое влияние установки спрямляющей решетки на напорную характеристику насоса. Поэтому, если лопастной насос имел неустойчивую ветвь напорной характеристики, то она чаще всего сохраняется и для конструкции. Это часто приводит к потере устойчивости гидравлической системы с насосом, в основе механизма которой лежат помпажные явления.

Цель изобретения - обеспечение устойчивой работы гидравлической системы с лопастным насосом путем повышения напора на режимах малых подач.

Это достигается тем, что в лопастной насос, состоящий из рабочего колеса и входного патрубка, установлена перепускная камера с направляющей лопастной решеткой, лопатки направляющей решетки выполнены серповидными, при этом решетка расположена от рабочего колеса на осевом расстоянии, равном 0,3-0,5 калибра диаметра входного патрубка, и лопатки решетки на входе установлены под углом 25-30^о, а на выходе - под углом 150-160^о относительно фронта решетки.

Предлагаемое техническое решение отличается от прототипа тем, что лопатки направляющей решетки выполнены серповидными, при этом решетка расположена от рабочего колеса на осевом расстоянии, равном 0,3-0,5 калибра диаметра входного патрубка, и лопатки решетки на входе установлены под углом 25-30^о, на выходе из решетки - 150-160^оотносительно фронта решетки.

Экспериментальные исследования показали, что для зоны противотоков на периферии отношение меридиональной составляющей скорости потока к окружной является постоянным для всех подач и вдоль оси трубопровода: = -0,344 = const, т. е. направление потока к направлению окружной скорости составляет приблизительно -19^о, поэтому угол установки лопастей, в решетке на входе принят на 6-11^о больше (19^о), что обеспечивает натекание потока на лопатки с нулевым или небольшим положительным углом атаки. Для создания значительной "отрицательной" закрутки потока на выходе из решетки угол установки лопаток на выходе должен составлять 150-160^о. Фактический угол выхода потока из решетки несколько меньше из-за отставания потока от лопатки.

В этом случае поток, выходящий из решетки, "закручен" в сторону, противоположную вращению рабочего колеса, т.е. С_и < 0. Путем турбулентной вязкости указанная отрицательная закрутка передается основному потоку, втекающему в рабочее колесо. Тогда, согласно уравнению Эйлера происходит возрастание напора насоса H_т= - , (1) где С_2и и С_1и - окружная составляющая скорости потока на выходе из рабочего колеса и на входе в него соответственно; U₂ и U₁ - окружная скорость на наружном диаметре рабочего колеса D₂и на диаметре канала входных кромок лопаток колеса на входе D₁соответственно.

Поскольку С_1и < 0, то из уравнения (1) следует, что напор насоса повышается. При этом, чем меньше величина подачи Q, тем больше значение |C_1и| и тем существеннее повышение напора насоса на режимах малых подач, что приводит к уменьшению градиента напора от подачи, что делает систему более устойчивой по отношению к низкочастотным помпажным колебаниям.

На фиг. 1 и 2 изображена конструкция лопастного насоса. Насос состоит из лопастного рабочего колеса 1, перепускной камеры 2, в которой установлена решетка 3, со серповидными лопатками 4. Перепускная камера 2 размещена во входном патрубке 5 насоса. Вход потока в нее расположен на расстоянии 0,3-0,5 калибра диаметра входного патрубка 5 насоса. Располагать начало перепускной камеры ближе указанного расстояния нецелесообразно, так как в этом случае поток на входе в камеру существенно неосесимметричен, располагать на большем расстоянии также нецелесообразно, так как теряется энергия противотоков из-за трения о стенки трубопровода.

Работа предлагаемой конструкции на режимах малых подач.

Из рабочего колеса 1 во входной патрубок насоса 5 выходят сильно закрученные в сторону вращения колеса противотоки, которые поступают в перепускную камеру 2, где из-за силового воздействия серповидных лопаток 4 решетки 3 и противотоков происходит во входной половине решетки лопаток 3 раскрутка потока, а в выходной половине решетки 3 - закрутка потока противотоков в направлении, противоположном направлению вращения рабочего колеса. "Закрученный" поток поступает во всасывающую магистраль, где из-за действия турбулентных сил вязкости "закручивает" основной поток в направлении, противоположном направлению вращения рабочего колеса, в результате чего происходит возрастание напора насоса на режимах малых подач.

П р и м е р. Минимальная подача насоса составляет 20% от номинальной. Окружная скорость противотоков на входе в решетку составляет 0,75 U_н, где U_н - окружная скорость входных кромок лопастей колеса на периферии. Угол потока на периферии составляет приблизительно 19^о. Угол установки лопастей колеса 30^о. Угол атаки потока при входе на лопасти меньше 11^о, так как решетка установлена на диаметрах, больших внутреннего диаметра трубопровода (входного патрубка), поэтому из-за уменьшения С_и при переходе потока на большие диаметры угол входа потока в решетку возрастает, что приводит к уменьшению угла атаки.

Величина густоты решетки τ= 3, где L_л - длина лопастей в решетке; Z - число лопастей; D - диаметр решетки.

Для такой решетки коэффициент, учитывающий влияние конечного числа лопастей в решетке, приблизительно равен р≈ 0,5. Тогда при равенстве меридианальных скоростей в решетке и принятие угла установки лопастей на выходе из решетки βг.л.р = 150^о, получаем C_2иp= - = - = -0,5 U_н. Знак минус означает, что окружная составляющая скорости потока, вытекающего из решетки, по направлению противоположна окружной скорости вращения центробежного колеса.

Согласно зависимости относительный расход обратных токов Q^ʹ_о.т.= = = = 0,444, где Q_р.т - расход обратных токов; Q - подача насоса. Если относить расход обратных токов к расходу Q, то = = = 0,8. Таким образом, расход обратных токов только на 20% меньше подачи насоса.

Естественно, что такой мощный закрученный поток вызывает существенную закрутку основного потока, что согласно формуле (1) приводит к возрастанию напора насоса на режимах малых подач. Можно полагать, что для насосов с коэффициентом быстроходности n_s = 80-150 напор насоса на режимах малых подач возрастает на 20-30%.

Формула изобретения

ЛОПАСТНОЙ НАСОС, состоящий из рабочего колеса и входного патрубка, в котором установлена перепускная камера с направляющей лопастной решеткой, отличающийся тем, что, с целью обеспечения устойчивой работы гидравлической системы с лопастным насосом путем повышения напора насоса на режимах малых подач, лопатки направляющей решетки выполнены серповидными, при этом решетка расположена от рабочего колеса на осевом расстоянии, равном 0,3 - 0,5 калибра диаметра входного патрубка, и лопатки решетки на входе установлены под углом 25 - 30^o, а на выходе из решетки - под углом 150 - 160^o относительно фронта решетки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2