Трифонова Г.О., Трифонова О.И. Гидродинамические машины и передачи

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 18.

Конструкция осевого насоса

Преимущества: высокая производите

льность; простота конструк-

ци ; высокий КПД, малая чувствительность к засорению.

Недостатки: ограниченная высота всасывания, иногда насосы

работают с подпором.

1.7. Гидротурбины

Гидравлической турбиной называется гидравлический двигатель,

преобразующий энергию потока жидкости в механическую энергию на

валу турбины.

Гидротурбины применяются на гидроэлектростанциях, где они

приводят в движение генераторы электрического тока. Гидротурбины

подразделяются на реактивные и активные.

В реактивных – давление перед рабочим колесом больше, чем

давление за ним, при этом изменяется кинетическая и потенциальная

энергия жидкости.

В активных – давление одинаковое и равно атмосферному, на ра-

бочем колесе преобразуется кинетическая энергия.

Рассмотрим работу турбины на примере наиболее распростра-

ненной радиально-осевой турбины, показанной на рис. 19. Вода, под-

водимая к турбине, проходит турбинную камеру 1 и направляющий

аппарат 2, который представляет собой систему лопаток, установ-

ленных под определенным углом. Задача турбинной камеры и лопаток

направляющего аппарата сообщить жидкости окружную составляю-

щую скорости. Поворачивая лопатки, т.е. изменяя направление пото-

ка, можно регулировать меридиональную скорость, расход и мощ-

ность турбины.

В закрытом положении лопатки соприкасаются и расход жидкости

прекращается. Поворачиваются лопатки гидроцилиндрами 5, которые

перемещают регулировочное кольцо 3, и оно через рычаги поворачи-

вает лопатки. После лопаток 2 поток жидкости, вращаясь, попадает на

рабочее колесо 9 и заставляет его так же вращаться. На рабочем ко-

лесе 9 тоже имеются лопасти. Колесо закреплено на валу 4, который

соединен с генератором, вырабатывающим электрический ток.

В рабочем колесе радиально-осевой турбины поток жидкости сна-

чала приближается к оси вращения, а потом движется параллельно

оси. От рабочего колеса жидкость отводится по отсасывающей трубе

8 (рис. 19), выполненной в форме диффузора. Если жидкость после

рабочего колеса потом сразу попадает в бак, то теряется кинетиче-

ская энергия.

Назначение отсасывающей трубы 8:

ользование части кинетической энергии жидкости, выхо-

течения жидко-

сти, поэтому уменьшаются потери кинетической энергии на

• исп

дящей из колеса. Труба уменьшает скорость

выходе из трубы;

•

за счет создающегося за рабочим колесом

Рис. 19.

Схема радиально-осевой турбины

использование напора

H от свободного уровня жидкости до

колеса. Использование напора и кинетической энергии жид-

кости происходит

вакуума. При этом увеличивается перепад давления на ко-

лесе и мощность турбины.

Осевое усилие уменьшается разгрузочными отверстиями 10 и уп-

лотнениями 6, 7. Радиально-осевые турбины применяют при величине

напора до 500 м.

Осевые турбины показаны на рис. 20. Это реактивные турбины.

Жидкость проходит через направляющий аппарат на колесо. При про-

хождении колеса слои жидкости находятся примерно на одном и том

же расстоянии от оси вращения. Рабочее колесо напоминает гребной

винт корабля. Лопасти могут поворачиваться вокруг своей оси. При-

меняются осевые турбины при малых напорах до 80 м.

Рис. 20. Схема осевой турбины

Ковшовые турбины показаны на рис. 21. Это активные турбины.

Жидкость по напорному трубопроводу 4 подводится к соплу 3 и выхо-

дит из него с большой скоростью в виде струи. Струя жидкости нате-

кает на ковши 2 рабочего колеса, приводя его в движение. Мощность

турбины регулируется иглой 1, перемещающейся внутри сопла в осе-

вом ии, изменяя площадь выходного сечения сопла, а зна-

чит, ь разная, например,

струя п

текается

почти на

кидает ковш

направлен

расход и мощность. Форма ковша может быт

опадает на среднее заостренное ребро, рассекается им и рас-

по обеим сторонам чаши, меняя своё направление движения

°180 и тратя при этом много энергии. Поэтому жидкость по-

с малой скоростью и обладает при этом малой кинетиче-

ской энер

до 1700 м

гией. Ковшовые турбины применяются при больших напорах

Рис. 21.

Ковшовая турбина: а – схема; б – форма ковша

1.8. Насосы трения и инерции

В этих насосах поток жидкости создается за счет сил трения и

инерции.

Рис. 22.

С вихревого насоса: а – поперечный разрез насоса;

б - колесо закрытого типа; в - колесо открытого типа

хема

в а б

У вихревых и центробежно-вихревых насосов жидкость захваты-

вается лопатками у входа в кольцевой канал, попадая в лопаточную

полость (рис. 22). Жидкость перемещается вместе с колесом насоса и

под действием центробежных сил выбрасывается в кольцевой канал.

За один оборот колеса частица жидкости несколько раз захватывается

лопатками и выбрасывается в канал. При этом каждый раз, когда час-

тица жидкости попадает в межлопаточную полость, она получает

приращение кинетической энергии. Поэтому вихревые насосы разви-

вают напоры в 2...4 раза больше, чем центробежные, имея одинако-

вые диаметры рабочих колес. Также при одинаковых параметрах у

вихревых насосов габаритные размеры и масса меньше, чем у цен-

тробежных. Вихревые насосы обладают самовсасывающей способно-

стью в отличие от центробежных. Схематично формы рабочих колес

показаны на рис. 22, б – закрытого типа, 22, в - открытого типа.

Рис. 23.

Вихревой насос типа ВК: 1 - вихревое колесо;

2 - гидравлический затвор

Вихревой насос типа ВК показан на рис. 23. Вихревые насосы вы-

пускаются с подачей

501Q

⋅

= м

/ч, при напорах м. Не-

достаток вихревых насосов: низкий КПД~ 25...45%, быстрый износ ра-

бочих колес и уплотнений при подаче жидкости с абразивными приме-

сями. Применяются вихревые насосы, гда требуется ая подача

при больш (например, откач воды из колодц

, имеет два

но, центробеж-

ое колесо расположено перед вихревым колесом. Жидкость сначала

10025H ⋅⋅⋅=

ко

ка

мал

а).

их напорах

Центробежно-вихревой насос, показанный на рис. 24

рабочих колеса – центробежное 1 и вихревое 2 . Обыч

попадает на центробежное колесо, где создается небольшое давле-

ние,

которое потом повышается вихревым колесом.

Рис. 24.

Центробежно-вихревой насос

1 – центробежное колесо; 2-вихревое колесо

При таком сочетании рабочих колес достигаются большие напоры

при относительно малой подаче. Центробежно-вихревые насосы изго-

тавливают с подачей

14..36Q

/ч и напором до 280 м,

КПД~45...48%. Применяются для систем водоснабжения небольших

объёктов, когда требуется создать большой напор (горная местность).

Лабиринтные насосы рис. 25 имеют каналы (нарезку) противопо-

ложного направления как на вращающемся роторе, так и на корпусе, в

котором находится ротор. Ротор 1 расположен в корпусе 2 с некото-

рым зазором. При вращении ротора от двигателя жидкость, попадая

между корпусом и ротором, получает многократное приращение кине-

тической энергии. Жидкость, двигаясь по винтовым каналам ротора 4

под действием центробежных сил, соскальзывает с ротора и попадае

в канавки 3 ять на ро-

тор.

Коэффициент полезного действия вихревых насосов около

η ≈

корпуса, теряет часть энергии и «срывается» оп

35%0 ⋅⋅⋅ , подача

42Q

⋅

/ч, напор .8060.H ⋅

м. Применяют-

ся вихревые насосы в м в химической промышленности. По-

этому особые требования к деталям проточной части, которые долж-

ны быть изготовлены из материалов стойких к химически агрессивным

жидкостям.

Струйные насосы (гидроэлеваторы или эжекторы) от

основно

носятся к

груп

пе аппаратов, которые не имеют движущихся частей.

Рис.25.

Схема лабиринтного насоса : 1 – ротор; 2 – корпус;

3 - ра

Действуют по принципу передачи кинетической энергии от пото-

ка р

н х ов.

ваем

асывающей камере 2 возникает вакуум. Под действием разницы

сил, н б

во всасываю ре, жидк к со

канавка внутри корпуса; 4 – канавки рото

абочей жидкости потоку перекачиваемой жидкости. Передача

энергии от одного потока другому происходит непосредственно без

промежуточ ы механизм

Струйный насос (рис. 26) состоит из плавносходящегося насадка

1, в который вставлен насадок 4, соединенный с баком и перекачи-

ой жидкостью. Рабочая жидкость под давлением по насадку 1

подается в сопло 2 (суживающуюся камеру) и оттуда в смесительную

камеру. За счет сужения сопла жидкость приобретает большую ско-

рость (согласно уравнению неразрывности потока), т.е. увеличивается

кинетическая энергия. Это в свою очередь (согласно уравнению Бер-

нулли), ведет к уменьшению потенциальной энергии давления (потен-

циальная энергия положения не изменилась). При определенной ско-

рости давление может стать меньше атмосферного, таким образом,

во вс

действующих а жидкость во всасывающей трубе 4 около ака и

щей каме ость поднимается плу камеры 2.

Далее два потока смешиваются и продолжают движение вместе. Жид-

кость, находящаяся ранее под давлением, отдает часть энергии жид-

кости, поступившей из бака. В диффузоре 3 скорость потока уменьша-

ется (увеличилась площадь потока), а статический напор увеличива-

ется

. Коэффициент полезного действия этих насосов невелик, всего

15...25%η ≈ .

Рис. 26.

Струйный насос

Струйные насосы используются для подъёма воды из артезиан-

ских скважин, подмешивания горячей воды в системах отопления (рис.

27, а), создания подпора на входе в лопастный насос с целью предот-

ения кавитации (рис. 27, б). Преимущества струйных насосов:

простота , не-

высокая стоимо ость подачи к

соплу относительно больших расходов под давлением.

вращ

конструкции, надежность в работе, небольшие габариты

сть. Недостатки: низкий КПД, необходим

Рис. 27.

Схемы применения струйных насосов: а - подмешивание воды в систе-

мах отепления; б - создание подпора на входе в лопастной насос

1.9. Вопросы для самоконтроля по первой главе

1. Чем отличается принцип действия объёмных гидромашин от гидро-

динамических?

2. Почему возникает осевая сила, действующая на лопастное колесо?

ен подсос воздуха из окружающей среды в рабочую

3. Почему возмож

полость лопастного насоса?

4. Для чего устанавливают еще одно рабочее колесо, хотя не вся жид-

кость через это колесо протекает?

5. Можно ли повысить напор насоса и расход?

6. Почему жидкость после рабочего колеса радиально-осевой гидро-

турбины сливается через трубу, а не просто так?

7. Являются ли лопастные гидронасосы самовсасывающими?

8. При откачке воды из колодца, какой насос надо применить гидроди-

намический или объёмный?

9. На каких уравнениях гидродинамики основан принцип действия

струйного насоса?

го насоса за-

трудняет расчет его характеристики. Характеристика лопастного насо-

са может быть получена только опытным путем. При проектировании

часто надо уже иметь характеристику. Получают её путем пересчета

по теории подобия характеристики имеющегося насоса геометрически

подобного проектируемому насосу. Теория подобия позволяет вы-

брать модельный насос, проточная полость которого геометрически

подобна полости проектируемого насоса (натурного), рассчитать соот-

ношение размеров этих насосов и получить размеры рабочих органов

проектируемого насоса. Если нельзя подобрать модельный насос, то

насос рассчитывают заново и экспериментально доводят. Используя

теорию подобия, можно, испытав насос при одном числе оборотов,

пересчитать его актеристику на другое число оборотов.

Два лопастн колеса считаются подобны и, если соблюдены ус-

ия геометрического, кинематического, динамического подобия.

рина ло емого)

и модельного (того, который выбран за образец) лопастных колес бы-

ли про аправлениями

2. ОСНОВЫ РАСЧЁТА СИЛОВЫХ КИНЕМАТИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ МАШИН

2.1. Подобие гидродинамических гидромашин

Сложность рабочего процесса гидродинамическо

хар

ых

лов

Геометрическое подобие требует, чтобы размеры (диаметры, ши

паток, радиусы кривизны лопаток) натурного (проектиру

порциональны, а углы между сходственными н

равны

1н

2м

2н

1м

1н

Dbb

==⋅⋅⋅== , здесь

δ - линейный масштаб; b - ши-

Dbb

рина, индексы:

- место расположения точки сравнения,

- натур-

ное колесо,

- модельное колесо.

Кинематическое подобие требует сонаправленности скоростей в

сходных точках и пропорциональности этих скоростей, см. рис. 28