Вихревые насосы

1.

Вихревые насосы
Касабеков М.И.
для студентов специальности В056-5403
«Механика-прикладная математика»
Лекция 13
1
05.12.2023

2.

Введение
Потребность в насосах способных
откачивать
из
всасывающего
трубопровода воздух, привела к
появлению вихревых насосов, которые
в какой-то степени решают задачу
получения
лопастного
самовсасывающего насоса.
Лекция 13
2
05.12.2023

3.

Схема вихревого насоса
R
5
R R
6
4
5
4
6
B
2
3
7
2
D
C
8
A
12
E
r3
r1
r2
9
F
11
1
R
Лекция 13
10
1
K
3
05.12.2023

4.

Рабочим органом вихревого насоса является
лопастное колесо 9, разделенное
перегородкой 5 на правую и левую части. На
периферии рабочего колеса с обеих его
сторон выфрезерованы каналы, в результате
чего образуется система рабочих лопаток 6.
Такое рабочее колесо называется колесом
закрытого типа в отличие от колес открытого
типа, где перегородки 5 нет; оно жестко
крепится на валу 8 и размещается в корпусе 2,
который снабжен всасывающим 3 и
напорным 1 патрубками.
Лекция 13
4
05.12.2023

5.

Стенки корпуса прилегают к торцовым
поверхностям рабочего колеса, в результате
чего образуется осевой зазор 7.
Периферийная часть рабочего колеса, на которой
находятся лопатки, располагается в кольцевом
канале 4, образованном корпусом 2.
В правой стенке корпуса насоса на радиусе,
величина которого меньше r2, выполнено
впускное окно 12, переходящее затем в
приемный (всасывающий) патрубок. Этим
окном всасывающий патрубок соединяется с
началом бокового канала 4, который
заканчивается напорным патрубком 1.
Начало бокового канала и напорный патрубок
отделены друг от друга перемычкой 10.
5
Лекция 13
05.12.2023

6.

При вращении рабочего колеса в сторону,
указанную стрелкой, частицы жидкости,
находящиеся в межлопаточных каналах,
также увлекутся во вращательное
движение. Находясь под действием
центробежных сил, они будут двигаться
относительно стенок каналов этого
колеса, т. е. движение частиц жидкости
будет подобно тому, какое наблюдается в
межлопаточных каналах рабочего колеса
центробежного насоса.
Лекция 13
6
05.12.2023

7.

Рабочее колесо вихревого насоса
z
2
1
o
y
Лекция 13
x
7
05.12.2023

8.

Движение жидкости в проточных каналах
вихревого насоса при системе лопаток,
развернутых на плоскость
K
F
m
D
m
z
E
B
C
o
u
m
x
y
A
Лекция 13
8
05.12.2023

9.

Частицы жидкости, подошедшие через
окно 12 к входным кромкам лопаток
рабочего колеса, затем будут двигаться
относительно его стенок, что можно
представить линией тока частицы
жидкости А–т в абсолютном движении.
Дальнейшее движение частица жидкости
совершает относительно неподвижных
стенок канала 4 за счет той энергии,
которую она уже приобрела в
межлопаточном канале. Линия тока
этого движения может быть
представлена винтообразной кривой т–
9
В–С.
Лекция 13
05.12.2023

10.

Пройдя этот путь, частица жидкости
вторично попадает в межлопаточный канал,
чему соответствует линия тока С–т и т.д.
Таким образом, частица жидкости может
попасть несколько раз в межлопаточные
каналы и каждый раз при этом происходит
приращение ее энергии подобно тому, как
это имеет место в многоступенчатом
центробежном насосе. Разница состоит
лишь в том, что в меридиональном сечении
частица жидкости совершает вихревое
движение, а в направлении окружности
рабочего колеса – винтообразное с
траекторией ABCDEF.
10
Лекция 13
05.12.2023

11.

Преимущества вихревых насосов
Насосы рассмотренной схемы обладают
способностью к сухому всасыванию,
так как у них нагнетательная полость
отделяется от всасывающей хорошо
уплотненной перемычкой 10, а
жидкость подводится к основанию
рабочего колеса.
Высота всасывания этих насосов может
достигать (8…8,5) м вод. ст.
Лекция 13
11
05.12.2023

12.

При одних и тех же диаметрах рабочего колеса
и числах оборотов напор, создаваемый
центробежным насосом, в (3…5) раз
меньше, чем у вихревого, т. е., при прочих
равных условиях, габариты и вес вихревого
насоса могут быть меньше, чем
центробежного.
Будучи значительно проще по конструкции,
чем центробежные, рассматриваемые насосы
могут перекачивать жидкость любых
состояний, начиная с парогазовых смесей и
кончая жидкостями с повышенной
вязкостью (смазочные масла, жидкие
топлива).
Лекция 13
12
05.12.2023

13.

Недостатки вихревых насосов
Низкое значение полного КПД (%) является
существенным недостатком вихревых
насосов, самостоятельная область
применения которых ограничивается
коэффициентом быстроходности ns,
равным (4…50). Однако эти насосы
находят широкое применение в
комбинации с центробежными.
Лекция 13
13
05.12.2023

14.

Напор и характеристики вихревых
насосов. Гидравлическая
радиальная сила
Принцип действия вихревого и центробежного
насосов аналогичен. Следовательно, к
вихревым насосам применим закон об
изменении момента количества движения со
всеми вытекающими отсюда последствиями.
Лекция 13
14
05.12.2023

15.

Напор вихревого насоса возрастает с увеличением
числа лопастей рабочего колеса и длины
кольцевого канала 4. При одной и той же окружной
скорости напор, создаваемый рабочим колесом
вихревого насоса, больше напора колеса
центробежного насоса. Это является следствием
неоднократного движения одной и той же частицы
жидкости в межлопаточных каналах колеса за
время одного его оборота. Частица жидкости
совершает сложное винтообразное движение по
траектории ABCDEFK, на которое накладывается
вихревое движение относительно оси Ох в
межлопаточных каналах, что затрудняет
определение параметров вихревого насоса
аналитическим путем.
Лекция 13
15
05.12.2023

16.

Уравнение для определения
теоретического напора имеет вид:
u 2V2 u
Hт
g
для
линии
тока AB
u 2V2 u
g
для
линии
тока CD
u 2V2 u
g
для
линии
тока EF
u 2V2 u
3
g

17.

Схема вихревого насоса
5
R R
6
4
5
6
B
7
2
D
C
8
A
12
E
r3
r1
r2
9
F
11
10
Лекция 13
1
K
17
05.12.2023

18.

Если вместо коэффициента 3 в приведенную
выше формулу подставить число
последовательных прохождений частицы
жидкости через межлопаточные каналы i, то
напор колеса вихревого насоса при одной и той
же форме лопаток и окружной скорости будет в
i раз больше, чем у колеса центробежного
насоса.
2
u 2V2 u
u2
Hт i
i
g
2g
где
2V2u u 2
Лекция 13
18
05.12.2023

19.

Учтя при помощи коэффициента e, как и у
центробежных насосов, влияние конечного
числа лопастей на напор, а также
гидравлический КПД насоса hг, получим
действительный напор вихревого насоса
2
2
2
2
г
u
u
H i eh
2g
2g
где
i eh г – коэффициент напора.

20.

Для рабочих колес закрытого типа
коэффициент напора обычно
находится в пределах (3,5…4,5) и зависит
от числа и формы лопастей рабочего
колеса, соотношения его размеров и
шероховатости стенок бокового канала 4.
Для вихревых насосов аналитически
определить коэффициент напора в
настоящее время невозможно, поэтому
напорно-расходные и другие
действительные характеристики
получают опытным путем.
Лекция 13
20
05.12.2023

21.

Характеристики вихревого насоса
H,
N,
h
1
3
2
4
5
Лекция 13
Q
21
05.12.2023

22.

Цифрами 1 и 2 обозначены кривые Q–H
одного и того же насоса; кривая 1
получена при n1>n2, а кривая 3 – при
том же числе оборотов, что и кривая 2,
но с рабочим колесом, у которого число
лопаток меньше, чем это было для
кривой 2.
График 4 представляет собой
характеристику мощности насоса,
а график 5 – изменение КПД вихревого
насоса в зависимости от
производительности.
Лекция 13
22
05.12.2023

23.

Характер зависимости между основными
параметрами вихревого насоса, определяется
главным образом коэффициентом напора.
Более крутое, чем у центробежных насосов,
увеличение напора с уменьшением
производительности является следствием
непостоянства числа последовательных
прохождений j частицы жидкости через
межлопаточные каналы рабочего колеса.
С уменьшением расхода жидкости, которое
достигается дросселированием на напорном
патрубке происходит ее торможение в
проточных каналах насоса, следствием чего и
является увеличение числа i.
23
Лекция 13
05.12.2023

24.

Учет потерь энергии у вихревых насосов
производится при помощи тех же КПД,
что и у центробежных.
Небольшая величина полного КПД
вихревого насоса может быть объяснена
наличием больших гидравлических
потерь энергии, вызванных
вихреобразованиями в проточных
каналах корпуса и рабочего колеса, а
также трением жидкости о стенки
корпуса насоса.
Лекция 13
24
05.12.2023

25.

Приращение энергии жидкости в вихревом
насосе происходит непрерывно на всем пути
движения. Если при входе во всасывающий
патрубок давление жидкости было равно р1,
то в межлопаточных каналах оно постепенно
увеличивается до давления р2.
Изменение давления прямо пропорционально
центральному углу т.е. давление
жидкости внутри канала от сечения АВ до
сечения ЕМ распределяется прямолинейно.
Лекция 13
25
05.12.2023

26.

Распределение давления в вихревом насосе
p1
2
M
A
d
B
R
l
E
p2

27.

Давление жидкости на боковые
поверхности взаимно
уравновешивается, и поэтому у
вихревых насосов нет гидравлической
осевой силы.
Давление на торцовую поверхность
рабочего колеса от сечения АВ до
сечения ЕМ постепенно увеличивается.
Лекция 13
27
05.12.2023

28.

Следствием этого является
гидравлическая радиальная сила R,
которая равна
p 2 p1
R
d 2b
g
где d2 и b – соответственно наружный
диаметр рабочего колеса и его ширина
на том же диаметре.
Лекция 13
28
05.12.2023

29.

Учет гидравлической радиальной силы
следует производить при расчете
опорных подшипников и прочностных
размеров вала насоса.
Лекция 13
29
05.12.2023