книги / Расчет центробежных и осевых насосов лопастных гидромашин

Государственный комитет РСФСР по делам науки и высшей школы

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

С.Н. Шкарбуль, В. А. Голиков,

А.А. Жарковский, В. Л. Плешаков

РАСЧЕТ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ И ОСЕВЫХ НАСОСОВ ЛОПАСТНЫХ ГИДРОМАШИН

Учебное пособие

ЛЕНИНГРАД 1990

и осевых шсосов лопастных гидромавшн: Учебное пособие. - Л«: ЛГТУ 1990. - 76 с.

Учебное пособие содержит сведения об антикаш1тационных каче­ ствах насосов, расчете их шнеко-центробежных ступеней и предвклю-

чениых осевых рабочих колос. Рассмотрены вопросы автоматизации проектирования рабочих колес центробежных насосов; способы опреде­ ления осевых сил, действующих на роторы насосов, способы расчета сиотем разгрузки от осевых усилий и определения коэффициента по­ лезного действия многоступенчатого насоса;

Настоящее пособие предназначено для студентов спешальности "Гидравлические машины, гидроприводы и гидрокневтлоавтоглатика", а также может быть полезным для других специальностей, в учебных планах которых предусмотрено изучение лопастных гидромашин.

Ленинградский государственный технический университет

ВВЕДЕНИЙ

В курсе "Лопастнне гидромашины" рассматриваются основные по­ ложения расчета проточных частей центробежных и осевых насосов. Кафедрой гидромашиностроения ЛПИ проведена большая работа по ре­ шению ряда теоретических и практических задач, возникающих при проектировании насосов. Частично результаты это!: работы С-яи опуб­ ликованы ранее [I - 4 ] . В методических указаниях к курсовому про­ екту по расчету центробежных насосов [4] даны рекомендации по вы­ бору основных размеров рабочих колес, профилированию лопастей, расчету подводящих и отводящих устройств. Однако некоторые из этих рекомендаций требуют дополнительного разъяснения или уточнения. Например, в указанной работе [4] автор не рассматривал особенности расчета центробежных насосов с п о в ш е ш п ш антикавитационными ка­ чествами, расчета проточной части осевых насосов, элементов САПР насосов и т.д. Учитывая, что эти вопросы освещены в литературе достаточно разрозненно и не всегда полно и однозначно, их изучение студентами затруднено.

Поэтому, используя имеющиеся литературные источники, а также опыт кафедры гидромашиностроения ЛПИ в разработке проточных частей" лопастных насосов, авторы учебного пособия попытались изложить свои соображения по ряду вопросов, свяэагшнх с проектированием и расчетом лопастных насосов, в том числе вопросы автоматизации прооктпрования с использованном элементов САПР,

I. АНТ]ПСА311 ТАЦЩПIHE КАЧЕСТВА ЦьНТРОБЕйРОГО НАСОСА

ПаБИтаьдя в насоса приводит к целы,г/ ряду нежелательных по­ следствий. Так, при начальной стадии кавитации может произойти снижение основных параметров насоса. При развитой стадии кавитации помимо снижения основных параметров появляется дополнительная виб­ рация и усиливается эрозионное разрушение деталей проточной части. При срывкой стадии кавитации, кроме упомянутых выше явлений, июгут

3

возникнуть отрыв потока от лопастей рабочего колеса и полное пре­ кращать подачи насосом жидкости в систему (кавитационный срыв ра­ боты насоса).

Для боскавитациоиноп работы насоса энергия жидкости на его входе должна бытх> достаточной для создания требуемых по условиям работы скоростей и ускорений без снижения давления на входе в рабо­ чее колесо до давления насыщенных паров перекачивамой жидкости при данной температуре. Величину, определяемого отношением превышения удельной энергии жидкости на входе в насос над удельной энергией, соответствующей давлению ее насыщенных паров, к ускорению силы тя­ жести, будем называть кавитационным запасом л к . Тогда в соответст­ вии с данным определением

где е0 - удельная энергия жидкости на входе в рабочее колесо, при­ веденная к его оси вращения, дж/кг; е п - удельная энергия жидкости, соответствующая давлению ее насыщенных паров при данной температу­

Поскольку все величины, входящие в формулу (I), имеют единицы измерения, предусмотренные международной системой единиц СП, то очевидно, что кавитационный запас выражен в метрах столба перека­ чиваемой жидкости.

Чем больше л к , тем меньше вероятность возникновения в насо­

се кавитации. На практике же не всегда возможно и целесообразно стремиться к увелпчонию кавитационного запаса. Например, при пере­ качивании горячих жидкостей для увеличения л к потребуется создать значительный, подпор на входе в насос за счет дополнительного его заглубления либо за счет установки предвключонного насоса. Дополни­ тельное заглубление приведет к удорожанию проокта системы, а прод-

4

включенный насос снизит ее общий КПД и потребует мош-дгл дополни­ тельного привода еще одного насоса. Поэтому аптккавитацишшко каче­

сосы малой быстроходности имеют частные кавитационные характеристи­ ки без ретлшов Ah„ptn А к„р з .Обычно при их кавитационных испыта­ ниях одновременно с обнаружением момента начала кавитации происхо­ дят срыв основхшх параметров, отрыв потока от лопастей рабочего ко­ леса и прекращение подачи. Таким образом, антикавитацпошше качест­ ва этих насосов могут характеризоваться лишь значением 4 Л„р2 .Неза­ висимо от коэурицкеита быстроходности центробежные насосы не имеют A h "p3 , который; существует лишь у шноко-цонтробежных насосов при работе шнека в рощиме суперкавитации. Антпкавиташюннне качества центробаглых насосов средней и высокой быстроходности можно харак- -теризовать значения?® Л h Kpj и A h Kpz. Однако, поскольку на практи­ ке центробежные насосы чрезвычайно редко эксплуатируются в условиях развитой кавитации, то для характеристики антикавитационных качеств центробежных насосов средней и высокой быстроходности целесообразно использовать лишь значение А к Кр1 .

При работе насоса в условиях кавитации происходит эрозионное разрушение элементов его проточно];Части. Есть некоторые особеннос­ ти этого процесса, которые следует учитывать. Во-первых, чем силь­ нее развита кавнтаци;;, тем больше вероятность эрозии. Во-вторых, чем меньше скорость движения жидкости в условиях кавитации, тем больше успоет выделиться из нее растворенных газов, образующих модны-; Каверин, которые, замыкаясь, вызовут интенсивное эрозионное разрушение. В-третьих, степень эрозионного разрушения существенно зависит от износостойкости материалов проточной части. Так, если относительную кавитационно-эрозионную столсость чугуна принять

5

Увеличение Ст свыше I2CC достигается применение... шнеко-цент­ робежных ступеней. В работе [5] приведены данные о том, что при частотах вращения рабочих долее п < 80С0 мин“* шнеко-центробежные

при разных частотах враценпя объясняется, вероятно, тем, что если частота вращения мала, то кавитация в шнеке начинается при очень низком давлении на б х о д о ь насос с обильным наделением растворенных в глдкостп газов и интенсивны:.! образованием каверн. При высоких ско­ ростях вращения шпека жидкость быстро проходит области низкого дав­ ления и кавитационная каверна не успевает развиться в силу инерци­ онности процесса парообразования.

3 зависимости от коэффициента быстроходности n s кавитацион­ ный коэффициент быстроходности, соответствующий второму критичес­ кому режиму, молот достигать в бесшнековых ступенях значений

При проектировании насоса большое значение имеет правильность выбора кавитационного решила его работы. Здесь следует принять во внимание следуйте соображения:

1. Пели насос предназначен для кратковременной работы (напри­ мер, топливный насос ракетного двигателя), то его износостойкость и интенсивность кавитационной эрозии не играют существенной роли. При расчете такого насоса можно допустить его работу в условиях кавитации, но, естественно, без заметного снижения его параметров. Если указанный насос имеет шнеко-центробежное исполнение, то в ка­

первый и второй критические режимы его работы. Поэтоглу предпочти­ тельнее обеспечить его работу с д К > d , т *0* в расчетах ори­

ентироваться на •Cj .

3. Независимо от принятой схемы насоса (центробежный или шне­ ко-центробежный), если он должен иметь большой моторесурс, то при расчете его проточкой части нужно ориентироваться на С - . В расчетах особо ответственных насосов с высоким моторесурсом при выборе л \ р лучше ввести дополнительный запас, гарантирующий отсутствие кави­ тации.

4. Поскольку улучшение антикавитациокных свойств насоса со-

7

провоздается снижением его КПД, то это должно бить учтено при вы­ боре критического режима работы. Например, шнетю-иоптробежный на­

шнека шнеко-центробежного наооса. Так как шнек имеет КПД инке, чем центробежное рабочее колено, то д а увеличения КПД насоса лучше

снизить долю напора шнека за счет выбора в расчетах в качестве ха­ рактерного режима второ!! критнчоский ооны:гл работы.

6. 3 многоступенчатых насосах снижение их полного IIIД при ис­ пользовании перво!! ступонп с повкшепше.з: гчтпкавитацгюшпллн качест­ вами менее заметно по сравнению с аналогичными одноступенчатыми на­ сосами. Поэтому (с точки зрения экономичности) в расчетах многосту­ пенчатых насосов не столь существен выбор ориентировочных значении

Cj и С" .

Здесь поречислены лишь некоторые из возможных рекомендаций по

'выбору ориентировочных критических кавитационных режимов. 3 ряде случаов на этот процесс оказывают влияние требования определенных виброакустических характеристик, технологии изготовления насоса,

используемых материалов и т.п.

Как было сказано выше, па первом и втором критических режимах

насоо работает в условиях кавитации. Для обеспечения работы насоса без снижения внешних характеристик необходимо, чтобы кавитационный

испытания насосов предусматривает зависимость коэффициента запаса

8

венно к химически активным жидкостям, к морской воде и к холодной

ний насоса на носкольких режимах его работы. Обычно диапазон подач,

где Рл - атмосферное (барометрическое) давление, при котором рабо таот насос, Ла.

9

В каталогах по насосам приведены зависимости Н б^ от решала работы насоса при указанной на характеристике частоте вращения рабочего колеса, работе па чисто*-!, пресно’I воде с температурой

20°С и нормальном атмосферном давлении. Вели условия эксплуатации

В этом уравнении все величины, иглоющие индекс "к", относятся к на­ сосу, представленному в каталоге, а без индекса - к натурному на­ сосу.

В литературе £l, 5, б] часто вместо Н в^ для характеристики всасывающей способности насоса используется понятие допустимой геометрической высоты всасывания НдГ , определяющей предельную высоту установи! насоса над уровнем свободно!! поверхности е д к о с т и в заборном резервуаре, при которой насос работает без заметной ка­ витации,

Г* 9 -

где р1 - абсолютное давление на свободной поверхности жидкости в заборном резервуаре, Па; h 1 - гидравлические потери в подводящем трубопроводе, м.

Несмотря на внешнюю схожесть выражений И в и H qr , последнее

имеет очень существенный недостаток. Оно характеризует не столько антикавитаццонные качества насоса, сколько антикавпташюнные каче­ ства всей насосной установки, поскольку в Н ^ г входят потери в ли­ нии всаоывания. С течением времени эти потери могут изменяться (на­

10