СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЦИРКУЛЯЦИИ СКОРОСТИ ПОТОКА В МЕРНЫХ СЕЧЕНИЯХ ЛОПАСТНОГО НАСОСА Российский патент 1998 года по МПК F04D29/66 

Изобретение относится к лопастным насосам и может быть использовано при разработке рабочих органов лопастных насосов, турбин, компрессоров, вентиляторов и т.д.

Одной из основных зада создания ступеней лопастных насосов является получение наибольшего КПД и наивысших кавитационных качеств, что достигается в том числе согласованием углов установки лопаток на входе в работе колесо (направляющий аппарат) с направлением потока перекачиваемой среды.

Поток в лопастном насосе в общем случае имеет пространственный характер. Для согласования направлений лопатки и потока необходимым условием является знание распределения по ширине лопаток на входе и выходе рабочего колеса и направляющего аппарата циркуляции скорости потока. По распределению в необходимом сечении циркуляции скорости потока определяют распределения других гидродинамических параметров: окружной составляющей скорости, углов потока, углов атаки, коэффициентов прозрачности, углов бесциркуляционного натекания, теоретических напоров и т.д.

Известны различные способы определения распределения скорости потока применительно к лопастным насосам при помощи зондирования потока: гидродинамический [1], термоанемометрический, лазерный и акустический доплеровские и т.д. [2]. Последние два способа не позволяет определить направление скорости пространственного потока. По опыту специалистов наиболее практически применяемым способом зондирования является способ, основанный на определении величины и направления скорости потока при помощи гидрометрических приборов, в качестве которых служит комбинированные зоны: трехканальные цилиндрические и пятиканальные шаровые.

Однако сравнительно малые геометрические размеры каналов проточной части большинства лопастных насосов приводят при конечных размерах зондов к существенным погрешностям. Кроме того, для реализации способа требуется много времени и большая трудоемкость; полученные результаты в значительной степени зависят от субъективных причин. При наличии выраженного неосесимметричного потока требуется зондирование по поверхности, что кратно усложняет и удлиняет эксперимент.

Известен способ определения циркуляции скорости потока на выходе направляющего аппарата (гидротурбины), основанный на взвешивании гидродинамического момента, действующего на вспомогательную решетку, расположенную за направляющим аппаратом [3] . При этом измерение проводится одной решеткой, занимающей все меридианное сечение потока, и в результате измерения получают осредненную по всему сечению циркуляцию скорости потока. Этот способ может быть использован только при проектировании узкого круга ступеней лопастных насосов с низким коэффициентами быстроходности, имеющих плоский поток, и совершенно непригоден при проектировании ступеней с пространственным характером потока на участках проточной части ступени между рабочим колесом и направляющим аппаратом.

Изобретение направлено на решение технической задачи, заключающейся в определении распределения циркуляции скорости осесимметричного потока в мерных сечениях ступеней лопастных насосов, что позволяет определить достоверное распределение скорости и направления потока на входном сечении рабочего колеса и направляющего аппарата, а это дает возможность провести оптимальный выбор направления лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата по ширине их входных кромок и тем самым повысить КПД, кавитационные качества насоса и получить в соответствии с требованиям и эксплуатации необходимую форму характеристик напора и мощности от подачи.

Это достигается тем, что в способе определения циркуляции скорости потока в мерных сечениях лопастного насоса, основанном на определении момента количества движения путем измерения гидродинамического момента, действующего на измерительную решетку и на замере подачи рабочей среды, в мерном сечении потока, например, на входе и выходе лопаточной решетки рабочего колеса и направляющего аппарата, размещает систему независимых, коаксиальных расположенных измерительных решеток в количестве от двух и более, установленных таким образом, что входные их кромки принадлежат мерному сечению, измеряют гидродинамический момент, действующий на каждую решетку, и подачу рабочей среды, проходящую через каждую решетку соответственно.

На фиг. 1 схематично представлены измерения на входе рабочего колеса ступени многоступенчатого центробежного насоса; на фиг. 2 - система решеток по сечению А-А фиг. 1; на фиг. 3 - измерения на выходе рабочего колеса этой ступени; на фиг. 4 - система решеток по сечению А-А фиг. 3; на фиг. 5 - измерения на входе направляющего аппарата ступени; на фиг. 6 - система решеток по сечению А-А фиг. 5.

На фиг. 1, 2 измерения показаны на примере ступени центробежного насоса с рабочим колесом 1, имеющим выходную кромку 2 лопаток и входную кромку 3 лопаток, и с направляющим аппаратом 4, имеющим выходную кромку 5 лопаток и входную кромку 6 лопаток. На выходе направляющего аппарата 4 ступени на расстоянии расположения последующего рабочего колеса 1 ступени многоступенчатого насоса размещена система независимых коаксиальных мерных решеток 7, 8, 9, имеющих входные кромки 10, 11, 12 лопаток, круговые проекции которых располагаются на одной линии, размещаемой в месте расположения круговой проекции входных кромок 3 лопаток рабочего колеса 1 последующей ступени многоступенчатого центробежного насоса в рабочем состоянии.

Границы расположения решеток 7, 8, 9, представляющие собой осесимметричные поверхности, например, цилиндрические, конические, принимают таким, чтобы вся объемная подача через рабочее колесо 1 разделялась ими, например, на равные части в предложении равномерного распределения меридианной составляющей скорости.

Каждую мерную решетку, состоящую из радиально направленных плоских лопаток 13, выбирают достаточной густоты, чтобы при любой подаче и угле натекания потока была обеспечена нулевая циркуляция скорости потока на выходе решетки. Лопатки 13 каждой решетки соединены обечайкой 14, поверхность которой является границей для крайних решеток, или обечайкой 15, вынесенной за проточную часть - для промежуточных решеток (условно показана пунктирной линией). Каждая решетка имеет радиальную опору, в качестве которой может служить, например, радиальный подшипник (радиальные опоры не показаны). Решетки застопорены от проворачивания на своей радиальной опоре стопорами 16, 17, 18. Каждая мерная решетка, имеющая на входе некоторую циркуляцию скорости потока, воспринимает гидродинамические моменты M_a, M_в, M_c, которые замеряются при помощи датчиков 19, 20, 21.

По замеренному гидродинамическому моменту M_i, действующему на каждую решетку, используя уравнение из [3], определяют входную в рабочее колесо циркуляцию скорости потока Г_i и осредненную окружную составляющую V_ni на радиусе r в пределах этой решетки (при нулевой циркуляции скорости потока на выходе мерной решетки):

где ρ - плотность рабочей среды;
Q_i - объемная подача через i-ую решетку.

Рассчитанная окружная составляющая скорости потока при известной меридианной составляющей скорости позволяет определить угол потока в пределах каждой решетки, что и позволяет соответственно выбрать необходимое направление лопаток рабочего колеса.

Значения окружной составляющей скорости потока, циркуляции скорости потока в пределах каждой мерной решетки позволяют определить гидродинамические коэффициенты соответствующих парциальных решеток рабочего колеса и направляющего аппарата (коэффициент прозрачности, углы бесциркуляционного обтекания), углы атаки и величины теоретического напора.

При измерениях циркуляции скорости потока на выходе из рабочего колеса (фиг. 3, 4) круговые проекции входных кромок 10, 11, 12 лопаток мерных решеток 7, 8, 9 располагают на одной линии на некотором удалении от проекций кромок лопаток рабочего колеса 1 параллельно им. Зазор между проекциями входных кромок и мерных решеток и выходных кромок рабочего колеса принимают минимальным, чтобы измеряемые циркуляции скорости потока не претерпели существенных изменений на участке зазора, но достаточной, чтобы близкое расположение входных кромок мерных решеток к выходным кромкам рабочего колеса не привело к возмущающему воздействию мерных решеток на рабочее колесо и не повлияло на измеряемые величины циркуляции скорости потока на выходе из рабочего колеса.

При измерениях циркуляции скорости потока на входе из направляющего аппарата (фиг. 5, 6) круговые проекции входных кромок 10, 11, 12 лопаток мерных решеток соответственно 7, 8, 9 располагают на одной линии и размещают в месте расположения проекции входной кромки 6 лопаток направляющего аппарата 4 центробежной ступени в рабочем состоянии (фиг. 1, 2).

Источники информации
1. Галеркин Ю.Б., Рекстин Ф.С. Методы исследования центробежных компрессорных машин. - Л.: Машиностроение, 1969.

2. Турбулентность. Принцип и применение / Под ред. У.Фроста, Т.Моулдена. -М.: Мир, 1980.

3. Климов А.И. Гидродинамические характеристики радиальных направляющих аппаратов гидротурбин. Тр. ВИГМ, вып. XXIX, Исследование гидромашин. -М., 1961, с.40-78.

Использование: при разработке рабочих органов лопатсных насосов, турбин, компрессоров, вентиляторов и т.д. Сущность: для определения распределения циркуляции скорости осесимметричного потока в мерных сечениях ступеней лопастных насосов, например, на входе и выходе лопаточной решетки рабочего колеса и направляющего аппарата, размещают систему независимых коаксиально расположенных измерительных решеток таким образом, что выходные их кромки принадлежат мерному сечению потока, измеряют гидродинамический момент, действующий на каждую решетку, и подачу рабочей среды, проходящей через каждую решетку соответственно. 6 ил.

Способ определения распределения циркуляции скорости потока в мерных сечениях лопастного насоса, основанный на определении момента количества движения путем измерения гидродинамического момента, действующего на измерительную решетку, и на замере подачи рабочей среды, отличающийся тем, что в мерном сечении потока, например, на входе и выходе лопастной решетки рабочего колеса и направляющего аппарата, размещают систему независимых коаксиально расположенных измерительных решеток в количестве от двух и более, установленных таким образом, что входные их кромки принадлежат мерному сечению, измеряют гидродинамический момент, действующий на каждую решетку, и подачу рабочей среды, проходящую через каждую решетку соответственно.