Подвод характеризуется тремя параметрами:
1. Длина;
2. Диаметр входного отверстия;
3. Диаметр входа в нагнетатель (диаметр минимального сечения).
Существуют четыре формы подвода к нагнетателю:
1. Цилиндрический
2. Конический
3. Комбинированный
4. Тороидальный
Отвод - часть проточной полости нагнетателя, которая принимает перемещаемую среду и частично преобразует кинетическую энергию потока жидкости в потенциальную энергию.
Существуют три типы отводов:
1. Кольцевой - цилиндрическое пространство постоянной ширины полностью охватывает рабочее колесо машины.
2. Спиральный - криволинейный канал окружающий рабочее колесо и комбинируемый с кольцевым отводом.
3. Лопаточный - система нескольких диффузионных каналов окружающих рабочее колесо.
Отвод должен обеспечить протекание потока жидкости от колеса с наименьшими потерями и без нарушения оси симметричности потока. При этом скорость потока должна постепенно снижаться до ее величины в начальном сечении напорного трубопровода. Для понижения скорости на выходе из напорного патрубка к спиральному отводу присоединяют конический диффузор с углом раскрытия 10о
В многоступенчатых конструкциях центробежных машин применяют лопаточные отводы, представляющие неподвижную круговую решетку с большим количеством лопастей, что позволяет образовывать межлопастные каналы. Во всех типах лопаточных отводов при значимом отклонении режима работы от расчетного, наблюдается срыв потока с поверхности лопатки как следствие снижения КПД машины.
Существенное влияние на работу центробежной машины оказывает радиальный зазор ?r, между концами рабочих лопаток колеса и входными кромками лопаток отвода. При слишком малом значении ?r машина создает шум и иногда вибрацию. Положительное влияние цилиндрического пространства размером ?r заключается в выравнивании скоростей неравномерно распределительных по окружности выхода из рабочего колеса.
Тогда полные потери напора равны:
?Н = ?Нуд + ?Нот
где, ?Нуд - потери на удар, связанные с резким уменьшением скорости потока.
?Нот - потери связанные с отводом.
Действительные характеристики центробежного нагнетателя
В зависимости от конструктивных особенностей в проточной полости нагнетателя и в первую очередь от угла выхода потока с лопатками существует две формы напорной характеристики:
1. Напорная характеристика для рабочих колес с лопатками отогнутыми вперед.
Особенностью характеристики действительного напора является наличие максимума и неоднозначной зависимости напора в пределах от напора холостого хода Нх.х до максимального напора Нmах. Машины с такой характеристикой работают неустойчиво, самопроизвольно изменяя подачу.
2. Напорная характеристика для рабочих колес с лопатками отогнутыми назад
Такая напорная характеристика свойственна центробежным машинам при рациональной форме проточной полости. Работа такой машины устойчива при любом режиме.
Действительный напор отличается от теоретического на величину потерь ДН в проточной полости нагнетателя при изменении расхода машины. Потери напора также варьируются по причинам изменения сопротивления проточной части и отклонение потока вследствие удара потока о лопасть, что вызывает образование в потоке вихревых зон. Поэтому действительная напорная характеристика располагается ниже теоретической.
Набор зависимостей давления либо напора, мощности и КПД от подачи называется полной характеристикой центробежной машины.
Q
Действительная мощность Р центробежной машины возрастает с увеличением подачи. Действительная мощность при полностью закрытой задвижке, то есть нулевой подачи, равна мощности холостого хода и затрачивается на покрытие потерь происходящих при этом режиме. Потери мощности при холостом ходе обусловлены циркуляционными потоками в проточной части машины, особенно в её рабочем колес. Также потери возникают из-за дискового трения о поток жидкости и механического трения в сальниках и подшипниках машин.
Многоступенчатые и многопоточные центробежные нагнетатели
Создаются с целью увеличения напора или давления центробежные нагнетатели выполняют многоступенчатыми. Многоступенчатая центробежная машина представляет собой ряд одноступенчатых машин, рабочие колеса которых сидят на общем валу и включены последовательно.
Полный напор представляет собой сумму напоров отдельных ступеней.
Если все ступени машины имеют одинаковые геометрические размеры, то напор и давление выражается по формуле:
где, n - число ступеней нагнетателя.
Из закона сохранения массы подача во всех ступенях такой машины будет одинакова.
Поток жидкости поступает через входную камеру в рабочее колесо первой ступени машины и принимает от лопаток некоторое количество энергии. Далее поток жидкости выбрасывается в направляющий аппарат в этой же ступени, проходит через диафрагму, отделяющую одну ступень от другой, и подается в рабочее колесо второй ступени. Между ступенями могут устанавливать обратные направляющие аппараты, которые служат для оптимального закручивания потока для последующей эффективной передачи энергии по току жидкости в последующей ступени машины.
Для увеличения подачи нагнетателя применяют многопоточные центробежные машины, для этого используют параллельное соединение рабочих колес.
При высоких напорах и подачах применяют центробежные машины многопоточного типа со ступенями. Такие машины состоят из 2-х или 4-х групп ступеней давления. Для повышения напора в каждой группе ступени включены последовательно, а для повышения подачи сами группы ступеней включены параллельно.
В центробежных вентиляторах и компрессорах во всех ступенях применяют одинаковые по форме рабочие лопатки. Это достигается изменением размеров сечений ступеней. Число ступеней n в центробежных насосах достигает 30, а величина напоров для насосов падающих воду достигает до 5000 метров водяного столба.
Влияние частоты вращения рабочего колеса на характеристики нагнетателя
Изначальная напорная характеристика H(Q) при частоте вращения n, тогда напорная характеристика H(Q) при частоте вращения n' > n выглядит:
Из уравнений подобия:
Получаем напорную зависимость: , которая описывает линии пропорциональности, имеющие вид квадратичной параболы. Линии пропорциональности соединяют точки 1 и 1', 2 и 2', и являются линиями постоянного КПД.
При изменении частоты вращения напорная характеристика смещается параллельно от исходной. При увеличении частоты она смещается вверх , при снижении - вниз. Точки пересечения линий пропорциональности и напорные характеристики при разных частотах вращения позволяют определить значение напора и подачи в подобных режимах.
Подобие нагнетателей и коэффициент быстроходности
Теория подобия нагнетателей позволяет выбрать существующий нагнетатель в качестве основы и на его базе получить размеры рабочего колеса проектируемого нагнетателя с требуемыми характеристиками.
Два нагнетателя считаются гидродинамическими подобными при соблюдении трёх условий:
1. Геометрическое подобие - пропорциональность соответствующих размеров двух нагнетателей. Все параметры, относящие к исходному нагнетателю, обозначают со штрихом, а параметры проектируемого нагнетателя обозначают без штриха.
2.
3. Кинематическое подобие - пропорциональность скоростей в сходных точках потока.
4. Равенство углов установки лопаток на входе и выходе из рабочего колеса.
Используя предыдущие подобия, запишем уравнения подобия для параметров работы нагнетателей:
1. Уравнение подобия для подач:
2. Уравнение подобия для напоров:
3. Уравнение подобия для давлений:
4. Уравнение подобия для мощностей:
Коэффициент быстроходности - частота вращения геометрически подобного рабочего колеса, которое при напоре в 1 м развивает объёмную подачу в 0,075 м3/с.
где, - является критерием подобия и лежит в пределах от 0 до +?.
Из формулы видно, что центробежный нагнетатель обладает тем большей быстроходностью, чем больше частота вращения передается валу. Высокие частоты вращения выгодны, потому что они обуславливают меньший размер и массу нагнетателя. При заданном числе оборотов коэффициент быстроходности тем выше, чем больше подача и ниже напор, поэтому нагнетатель с высоким обеспечивает большую подачу, но является низконапорным.
Работа нагнетателя в сети
Сеть - система трубопроводов и отдельных агрегатов, присоединенных к нагнетателю.
Виды сети:
1) Простые (состоит из одного или нескольких последовательно соединённых участков)
2) Сложные (система разветвленных, либо параллельно соединенных участков)
Виды потерь в сети:
1) Потери на местные сопротивления;
2) Потери на трение;
3) Потери на выходе.
Уравнение ДРn = kМ Q2 характеризует полные потери для вентиляционной системы, где коэффициент k = const для каждой сети и характеризует гидравлические потери в сети. Коэффициент k тем больше, чем длиннее и извилистее сеть, чем больше шероховатость внутренних поверхностей, как у трубопровода, так и самого нагнетателя. Коэффициент k зависит от плотности, вязкости перемещаемой среды и от характера движения потока жидкости.
Характеристика сети представляет собой зависимость потерь давления в данной сети от расхода через нее и имеет вид:
Существует 4 уравнения сети, определяющие зависимость полных потерь Р в зависимости от режимов течения потока:
1) ДРn = Ро= const - характерно для сети с постоянным статическим сопротивлением, что наблюдается при продувании воздуха через слой жидкости.
2) ДРn = Ро' + kМ Q2 - характерно для сети со статическим сопротивлением и потерей давления при турбулентном режиме.
3) ДРn = kМ Q - потери давления при ламинарном режиме.
4) ДРn = kМ Qn - потери давления при политропного режима
При расчете сети используем принцип суперпозиции, т.е. считаем, что отдельные участки сети не влияют друг на друга.
Работа последовательно соединенных участков описывается следующими уравнениями:
Работа параллельно соединенных участков описывается следующими уравнениями:
Регулирование подачи нагнетателей
Регулирование нагнетателей - это такое изменение параметров, которое происходит непрерывно без остановки машин. Отношение измененной подачи при регулировании к исходной подаче называется - глубиной регулирования.
Регулирование подачи может осуществляться 2-мя способами:
· Изменение характеристик самой сети;
· Изменение характеристик нагнетателя.
Существует 3 способа изменения подачи:
1) Дросселирование при постоянной частоте вращения рабочего колеса.
Принцип дросселирования состоит в дополнительном введении в сеть гидравлического сопротивления и поскольку наибольшая подача осуществляется при полностью открытой задвижки этим способом мы можем только уменьшить подачу. Прикрывая вентиль мы повышаем статическое давление сети и характеристика сети занимает положение при промежуточном значении
Энергетическая эффективность низка, но из-за простоты применяется достаточно широко. При дроссельном регулировании насосов, дроссель располагается только на напорном патрубке, поскольку установка дросселя на всасывании неизбежно приводит к кавитации, закипанию жидкости.
2) Изменение частоты вращения вала нагнетателя.
При этом способе изменяется характеристика нагнетателя, а характеристика сети постоянна.
В отличие от дросселирования этот способ позволяет регулировать подачу в обе стороны, с повышением частоты вращения увеличивается подача, а со снижением частоты вращения подача и давление падает.
Существуют несколько способов изменения частоты:
1. Применение электродвигателей допускающих плавную или ступенчатую регулировку частоты вращения;
2. Применение паротурбинного привода;
3. Применение гидромуфт, индукционных муфт скольжения и вариаторов частоты вращения. Из-за высокой стоимости вариаторов и гидромуфт, которые дают плавное изменение скорости вращения, иногда применяют ступенчатое изменение частоты вращения с последующей дорегулировкой до требуемой подачи дросселированием.
3) Установка поворотно- направляющих аппаратов (ПНА) на входе в рабочее колесо.