Напор - это работа, совершаемая рабочим колесом нагнетателя которую принято относить к весу жидкости, проходящей через нагнетатель. Напор выражают в метрах водяного столба.
Давление - работа, совершаемая рабочим колесом нагнетателя, отнесённая к объёму газа, прошедшего через машину. Полное давление делится на статическую и динамическую часть.
Мощность - это энергия, подаваемая потоку в единицу времени. Полезная мощность - мощность, переданная потоком жидкости.
КПД - отношение полезной мощности и мощности на валу. КПД зависит от конструкции и размеров нагнетателя, от рода перекачиваемой среды, характеристик сети, от режима работы самого нагнетателя.
Потери энергии в нагнетателях делятся на:
1. Объёмные потери, которые возникают в результате утечек перекачиваемой среды через зазоры и уплотнения, а также в результате перехода потока жидкости из области с более высоким давлением в область с низким давлением. Такие потери характерны для центробежных нагнетателях. Для таких потерь введён объёмный КПД, зо = 0,96…0,98
2. Гидравлические потери. Возникают и в рабочей полости нагнетателя, и в подводящей и отводящей частях. Характеризуются гидравлическим КПД ( зг = 0,8…0,96), который зависит от обработки внутренних поверхностей нагнетателя, от вязкости жидкости и от конфигурации проточной полости нагнетателя.
3. Механические потери. Возникают за счёт потерь на трение в рабочем колесе нагнетателя, в подшипниках и уплотнениях валов. Характеризуются механическим КПД, зм = 0,92…0,95
Тогда общий КПД равен: з = зо зм зг
Способ действия и кинематика движения жидкой среды в рабочем колесе центробежного нагнетателя
1.Улиткообразный корпус
2. Рабочее колесо
3. Рабочие лопасти
Рабочее колесо приводится во вращение электродвигателем, перемещаемая среда поступает в нагнетатель вдоль оси вращения через всасываемый патрубок, попадает в межлопастное пространство, захватывается рабочим колесом, под действием центробежных сил перемещается к периферии колеса, затем собирается в корпусе и попадает на выход нагнетателя, к нагнетательному патрубку.
Осевой разрез рабочего колеса центробежного нагнетателя
Передача энергии потоку жидкости от вала происходит при помощи рабочего колеса с профилированными лопастями. Внутренняя полость рабочего колеса образуется двумя дисками 1 и 2 и несколькими лопатками 3. Основной диск 1 жестко закреплен на валу нагнетателя. Поток жидкости, поступая в полость рабочего колеса 5, вращается вокруг центра и под влиянием центробежных сил перемещается к периферии и выбрасывается в канал 4. Работа центробежных сил в межлопастных каналах приводят к изменению энергии потока, который возрастает в направлении движения от центра рабочего колеса к его периферии. Передача энергии с вала машины по току жидкости происходит из-за силового воздействия рабочих лопаток на поток. В некоторой конструкции центробежных машин по мимо рабочих колес устанавливают лопастные направляющие аппараты, которые служат для направления потока или частичного преобразования его кинетической энергии в потенциальную. Энергия, передаваемая по току жидкости рабочим колесом, определяется значениями абсолютной, относительной и окружной скоростей на входе и на выходе из рабочего колеса.
Абсолютная скоростьм/с - скорость перемещаемой среды относительно неподвижного корпуса.
Окружная скоростьм/с - скорость, которая описывает собой вращательное движение частицы в потоке жидкости. Направление вектора этой скорости перпендикулярно радиусу вращения в этой точке.
Относительная скоростьм/с- скорость потока относительно рабочей лопатки, направленна по касательной к поверхности лопатки.
Параллелограмм скоростей
В любой момент времени и в любой точке пространства можно построить треугольники скоростей
Где, - радиальная проекция абсолютной скорости, м/с.
- окружная проекция абсолютной скорости, м/с.
- угловая скорость, 1/с.
n - частота вращения, об/мин.
Теоретический и действительный напоры центробежного нагнетателя. Уравнения Эйлера
Направление вращения вихря в межлопастном пространстве противоположно направлению вращения рабочего колеса. Относительная скорость на внутренней стороне лопатки больше, чем на внешней стороне. При открытии запорной арматуры в лопастном пространстве рабочего колеса возникает течение потока.
При выводе уравнения Эйлера для нахождения теоретического напора рабочего колеса используют следующих 5 упрощающий предположений:
1) Перекачиваемая среда несжимаема, вязкие силы отсутствуют.
2) Рабочее колесо имеет бесконечное количество лопаток.
3) Течение имеет струйчатую структуру, струйки полностью повторяют геометрию лопатки.
4) Относительное движение характеризуется одним вектором относительной скорости вдоль.
5) Предполагается осевая симметрия потока.
Диффузорный эффект - повышение давления в перемещаемой среде из-за снижения скорости при ее движении в расширяющимся межлопастном канале.
Для нахождения теоретического напора применяют по току проходящему через рабочее колесо нагнетателя уравнение моментов количества движения. При этом предполагают, что поток в межлопастных каналах плоский и определяется двумя составляющими - радиальной проекция абсолютной скоростии окружная проекция абсолютной скорости
Из предположения, что число лопаток бесконечно следует, что скорости во всех точках сечений остаются постоянными. Если скорость пропускает расход жидкости с некоторой плотностью, то моменты секундных количеств движения на входе и на выходе из межлопастных каналов равны:
где, - момент теоретический при бесконечном количестве лопаток;
r1, r2 - конструктивные радиусы, м.
Тогда уравнение моментов имеет вид:
Момент, подводимый к валу нагнетателя больше теоретического момента Мт из-за механического трения в сальниках и уплотнителях вала, а также из-за наличия гидравлического трения потока жидкости с нерабочей стороной колеса.
Мощность, передаваемая в межлопастных каналах Nт ?, Вт:
С другой стороны мощность определяют как произведение массы жидкости прошедшей через рабочее колесо на удельную работу:
Сопоставляя две последние формулы получим:
Тогда сокращенное уравнение Эйлера для нахождения теоретического напора при бесконечном количестве лопаток имеет вид:
Используя формулу из треугольника скоростей, сможем записать полное уравнение Эйлера:
где, и - статические части полного напора;
- динамическая часть полного напора.
В большинстве случаев поток жидкости, входящий в межлопастное пространство, начинает вращаться из-за непосредственного соприкосновения с валом и втулкой рабочего колеса нагнетателя. Также причиной вращательного движения потока служит импульсный обмен между массами жидкости уже вошедшей в межлопастное пространство и массами, находящими вне этих каналов. Такое явление называют закручиванием потока на входе в рабочее колесо.
Величина закручивания потока характеризуется проекцией с1U при входе в межлопастное пространство.
Угол = 900 ( С1U = 0), если нет устройства изменяющее угол перед рабочим колесом. Если закручивание потока вызвано воздействием самого рабочего колеса, без помощи специально направляющих аппаратов, то происходит некоторое увеличение теоретического напора.
Тогда уравнение Эйлера для радиального входа на рабочее колесо имеет вид:
Нагнетатели без предварительного закрутки потока называют машинами радиального типа. Действительный напор, создаваемый рабочими колесами меньше теоретического при бесконечном количестве лопаток по 2-м причинам:
1)Часть энергии, полученная потоком жидкости в рабочем колесе, затрачивается на преодоление гидравлического сопротивления в проточной части машины. Эти потери учитываются введением гидравлического КПД.
2)Отклонение действительной картины течения потока от предполагаемой струйной при бесконечном количестве лопаток. Это учитывается поправочным коэффициентом, обычно = 0,8, если расчет не требует большой точности. Коэффициент учитывает конечное количество рабочих лопаток.
где, z - количество лопаток нагнетателя.
Действительный напор, создаваемый рабочими колесами равен:
Влияние угла выхода потока с лопатки на напор центробежного нагнетателя. Формы лопаток
Наиболее сильная зависимость напора от угла выхода наблюдается при значениях, когда в2 близок к 0о или 180о.
Для более подробных и точных подсчетах вводят конструктивный параметр в2Л - лопаточный угол.
в2Л - в2 = д
Угол скоса потока д, примерно составляет от 3одо 5о. Отличие углов в2Л и в2 связанно с условиями обтекания рабочей лопатки потоком жидкости. В зависимости от угла выхода в2Л различают три типа рабочих лопастей центробежных нагнетателей:
1. Лопатки, отогнутые назад по ходу вращения рабочего колеса (в2Л < 90о)
2. Радиальные лопатки (в2Л = 90о)
3. Лопатки, отогнутые вперед по ходу вращения рабочего колеса (в2Л > 90о)
Для всех трех видов лопаток угол в1 всегда меньше 90о
Напор передается потоку жидкости в виде кинетической энергии:
а) При в2Л < 90о динамическая часть полного напора меньше статической;
б) При в2Л = 90о динамическая часть полного напора равна статической;
в) При в2Л > 90о динамическая часть полного напора больше статической.
Способность рабочих лопастей создавать статический напор характеризуется степенью реактивности рабочего колеса. Степень реактивности с - отношение статической части теоретического напора к полному теоретическому напору, который создается рабочим колесом.
Чем выше степень реактивности, тем более совершенным является нагнетательно устройство. Для нагнетателей с лопатками, предельно отогнутыми назад степень реактивности равна 1 (с =1). У нагнетателей с радиальными лопатками степень реактивности равна 0,5 (с =0,5). Для нагнетателей с лопатками, отогнутыми вперед степень реактивности равна 0 (с = 0). С точки зрения гидродинамики лопатки, отогнутые назад, являются наиболее обтекаемыми и с их установкой можно увеличить диапазон скоростей и уменьшить гидродинамические потери в нагнетателе. Нагнетатели с такими лопастями дают самый высокий КПД. В насосах и компрессорах лопатки отогнуты назад, а у вентилятора все три типа лопаток существуют. При этом лопатки, отогнутые вперед, создают высокое давление и наибольшую подачу, что позволяет снизить окружные скорости на выходе из рабочего колеса и значительно уменьшаются габариты вентилятора.
Основные размеры рабочего колеса
· Углы входа и выхода потока с лопаток;
· Внутренний и наружный диаметр;
· Число лопаток;
· Ширина рабочих лопаток на выходе и на выходе;
· Ширина межлопастного канала на входе и на выходе.
Исходя из частоты вращения рабочего колеса и величины исходной подачи можно задаваться значениями входного и выходного диаметра рабочих колёс. Величина m лежит в пределах 1,25…3,3. Оптимальное соотношение диаметров достигается при величине m от 1,4…1,6.
Выбирают количсетво лопаток так, чтобы обеспечить максимальный КПД нагнетателя. Если число лопаток мало, то в межлопастных каналах появляется вихревые области, то есть зоны отрыва потока от лопасти, что приводит к дополнительным гидродинамическим потерям. Слишком большое количество лопастей вызывает увеличение потерь из-за возрастания поверхностей трения. Поэтому число лопаток рассчитывается по принципу, при котором среднее расстояние между ними будет приблизительно равно половине их длины:
Угол потока на входе - зависит от режима работы машины, а при постоянной частоте вращения - от подачи насоса. Однако он изменяется при изменении режима работы, поэтому существует разность, называемая углом атаки i:
i =
где, - лопаточный угол, он обычно на 3о-5 больше угла .
Ширину рабочих лопаток на входе b1обычно выбирают такой, чтобы скорость перед рабочими лопатками с1была равной скорости на входе в межлопастные каналы с0 тогда: b1 =
Ширина рабочей лопатки на входе определяется из условия равенства радиальных проекций абсолютной скорости на входе и на выходе из рабочего колеса.
Для упрощения изготовления рабочих колес для насосов малой мощности, а также для вентиляторов применяют равной однако при этом КПД машины снижается на 2-3 %.
Отводы и подводы к нагнетателям
Подводы - часть проточной полости нагнетателя, подводящая перемещаемую среду к входному отверстию рабочего колеса. Задачей подвода служит асимметричное одномерное подведение потока жидкости к рабочему колесу нагнетателя.
Потери энергии в потоке должны быть минимальны, поэтому скорости в его сечениях ограничивают. Проходные сечения подвода в направлении движения потока должны постепенно уменьшается, что приводит к постепенному возрастанию скорости до ее величины во входном сечении рабочего колеса. Размеры, формы и расположения подвода влияют не только на величину энергии передаваемой потоку жидкости, но и на все характеристики в целом машины. Для снижения гидравлических потерь в подводе площадь входа выполняют максимально возможной.