6.3. Вихревые и струйные насосы
На рис. 6.7. представлена схема вихревого насоса, рабочим органом которого является рабочее колесо 1 с радиальными или наклонными лопатками. В боковых и периферийных стенках корпуса имеется концентрический канал 2, начинающийся у входного отверстия и заканчивающийся у напорного. Канал прерывается перемычкой 4, служащей уплотнением между напорной и входной полостями. Жидкость поступает через входной патрубок 5 в канал, перемещается по нему рабочим колесом и уходит в напорный патрубок 3.
Рис. 6.7. Схема закрыто-вихревого насоса
Напор вихревого насоса в 3-9 раз превышает напор центробежного при тех же размерах и частоте вращения. Большинство вихревых насосов имеют самовсасывающую способность, то есть могут при запуске засосать жидкость без предварительного заполнения подводящего трубопровода. Многие вихревые насосы работают на смеси жидкости и газа. Существенным недостатком такого насоса является малое значение КПД (не более 0,38), что сдерживает его применение при больших мощностях. Расход вихревых насосов не превышает 12 литров в секунду, а напор достигает 250 м.
В закрыто-вихревых насосах жидкость поступает на рабочее колесо по большому радиусу и, следовательно, при больших окружных и относительных скоростях. Движение жидкости во входном участке канала таких насосов реализуется по сложным закономерностям и до настоящего времени не разработана методика аналитического расчета критического кавитационного запаса. Для предотвращений возможности кавитации в закрыто-вихревых насосах перед рабочим колесом устанавливают центробежную ступень и такой насос называют центробежно-вихревым.
В струйных насосах (рис. 6.8) поток полезной подачи Q перемещается и получает энергию вследствие смешения с рабочим потоком Q, обладающем большей энергией. Полный расход на выходе из насоса определяется как
.
(6.13)
Струйный насос включает в себя рабочее сопло 3 с подводом 2 рабочего потока, камеру смешения 5, диффузор 6 и подвод 1 потока полезной подачи с входным кольцевым соплом 4 камеры смешения.
Рис. 6.8. Схема струйного насоса
Режим работы струйного насоса характеризует четыре нижеприведенных параметра (для наиболее простого и распространенного случая, при котором плотности смешиваемых потоков одинаковы):
- рабочий напор, затрачиваемый в насосе и равный разности напоров рабочего потока на входе в насос (сечение б-б) и на выходе из него (сечение с-с)
;
(6.14)
- полезный напор, создаваемый насосом и равный разности напоров подаваемой жидкости за насосом (сечение с-с) и перед ним (сечение а-а)
;
(6.15)
- расход рабочей жидкости
;
(6.16)
- полезный расход
.
(6.17)
КПД струйного насоса равен отношению полезной мощности к затраченной:
.
(6.18)
Небольшое значение КПД струйных насосов обусловлено значительными потерями энергии в процессе их работы.
Характеристика
струйного насоса показывает его работу
на переменных режимах и, как правило,
определяется при условии
.
Характеристика (рис. 6.9) состоит из
зависимостей полезного напора H
= f(Q),
КПД
= f(Q)
и рабочего расхода
В соответствии с условием каждый насос может иметь множество характеристик (рис. 6.9).
Рис. 6.9. Характеристика струйного насоса
Более удобно характеристику струйного насоса представлять в относительно безразмерной форме в качестве совокупности зависимостей (рис. 6.9)
h
= f(q),
η= f(q)
,
где
относительный напор
;
относительный
расход
;
коэффициент
расхода рабочего сопла
.
Размеры
проточной части в относительной форме
характеризуются относительной площадью,
которая
характеризует отношение площади сечения
входа к площади рабочего сопла.
Все
многообразие размерных характеристик,
полученных при различных значениях
для всех струйных насосов с постоянным
значением относительной площади может
быть сведено к одной безразмерной
характеристике. Это возможно при
выполнении следующих условий:
- наряду с равенством К соблюдается геометрическое подобие для всех элементов проточной части;
- значения относительной шероховатости стенок проточной части должны быть приблизительно одинаковы;
- на кинематически подобных режимах работы, характеризуемых условием q = сonst, соблюдено также подобие и по критериям Рейнольдса.
Наиболее часто в струйных насосах применяют цилиндрические камеры смешения, которые просты в изготовлении и позволяют достичь достаточно хорошего значении КПД.
Для достижения максимального значения КПД насоса важно рационально выбрать длину камеры смешения. В случае длинной камеры смешения поле скоростей в потоке перед входом в диффузор достаточно выровнено и преобразование кинетической энергии в нем будет происходить с малыми потерями. Однако при этом реализуются большие потери в камере смешения.
При короткой камере процесс смешения в ней не успевает до конца реализоваться, и неравномерность поля скоростей вызывает увеличение потерь в диффузоре, хотя в самой камере потери уменьшаются.