Принцип работы лопастных нагнетателей.

  Гидравлическая машина, в которой происходит преобразование механической работы в механическую энергию жидкости, называется нагнетателем. К нагнетателям относятся насосы и воздуходувные машины. Воздуходувные машины служат для повышения давления и подачи воздуха или другого газа. В зависимости от степени сжатия воздуходувные машины разделяют на вентиляторы и компрессоры.

  Вентилятор – воздуходувная машина, предназначенная для подачи воздуха или другого газа под давлением до 15 кПа при организации воздухообмена.

  Вентиляторы работают по принципу силового воздействия на перемещаемую среду. К ним относятся лопастные (радиальные, центробежные, осевые) нагнетатели и нагнетатели трения (вихревые, дисковые, струйные и т.п.).

  На рис.29 представлена схема радиального вентилятора

 

Рис. 29. Схема радиального вентилятора

1 – коллектор; 2 – рабочее колесо; 3 – спиральный корпус; 4 – лопатка

 

  В радиальном вентиляторе перемещаемая среда, двигаясь в осевом направлении через всасывающий коллектор, попадает на вращающееся рабочее колесо, снабженное лопатками, изменяет направление движения к периферии колеса, закручивается в направлении вращения, поступает в спиральный корпус и затем через отверстие выходит из нагнетателя. Рабочее колесо сидит на валу и приводится во вращение приводом. Вал вращается в подшипниках укрепленных на станине или непосредственно на кожухе. 

  К достоинствам таких вентиляторов следует отнести возможность использования для привода высокоскоростных электродвигателей, высокий КПД (более 80%), простоту изготовления, высокую равномерность подачи и относительную простоту регулирования. Недостатком является то, что подача зависит от сопротивления сети.

Рис.30. Схема осевого вентилятора

1 – коллектор; 2 – входной направляющий аппарат; 3 – рабочее колесо; 4 – выходной направляющий аппарат; 5 – обечайка; 6 - обтекатель

 

Конструкционные особенности осевого вентилятора (рис.30) определяются его аэродинамической схемой, где все основные размеры даются в долях наружного диаметра рабочего колеса D (рис.31)

 

Рис.31. Аэродинамическая схема осевого вентилятора серии В.

D – наружный диаметр рабочего колеса; d_вт – внутренний диаметр рабочего колеса; СА– спрямляющий аппарат; К – рабочее колесо; r – радиус сопряжения и радиус наружной поверхности обтекателя

 

  В конструкциях осевых вентиляторов с одним или несколькими рабочими колесами, как и в конструкциях осевых компрессоров, применяются устройства, улучшающие аэродинамику потока и повышающие КПД: обтекатели, направляющие и спрямляющие аппараты.

  Регулирование производительности осевых вентиляторов может производиться изменением частоты вращения вала, с помощью направляющего аппарата на входе (закручивание потока перед колесом) и путем поворота рабочих лопастей на другой угол установки.

  Осевые вентиляторы широко применяются для проветривания бытовых помещений, метро, шахт в установках кондиционирования и т.д. Промышленность выпускает осевые вентиляторы общего назначения с диаметрами рабочих колес от 200 до 2000 мм на подачу до 130 м³/с и давление 30 – 1000 Па.

  В прямоточном радиальном вентиляторе (рис.32) перемещаемая среда вначале также движется в осевом направлении и поступает во вращающееся рабочее колесо, где под действием центробежной силы проходит в радиальном направлении в межлопаточном пространстве и выходит в осевом направлении по кольцу через радиальный лопастной диффузор, стенки которого имеют криволинейную форму, а лопатки установлены на осесимметричном коленообразном участке диффузора. В диффузоре часть динамического давления преобразуется в статическое. КПД вентилятора достигает 70%. Одним из преимуществ вентиляторов такого типа является возможность размещения электродвигателя внутри кожуха, что приводит к улучшению шумовых характеристик установки. Изготовление таких вентиляторов несколько сложнее, чем обычных.

 

Рис.32. Схема прямоточного вентилятора

1 – корпус; 2 – рабочее колесо; 3 –диффузор

 

6.2.Кинематика потока в рабочем колесе нагнетателя.

 

  Конструкция рабочего колеса насоса или вентилятора представляет собой систему лопаток (аэродинамических профилей), заканчивающихся острой кромкой. Профили закреплены между двумя дисками, один из которых насажен на вал, соединенный с валом электродвигателя. При вращении рабочего колеса каждая лопатка вследствие циркуляционного обтекания, взаимодействуя с потоком, вызывает появление реакции, равной по величине подъемной силе. Суммарная сила воздействия лопаток на поток будет равна сумме реакций каждой лопатки.

  Передачу энергии от привода жидкости осуществляет рабочее колесо, состоящее обычно из переднего 1 и заднего 2 дисков (рис.33), между которыми с одинаковым шагом установлены лопатки 3. Меридиональное сечение рабочего колеса характеризуется двумя параметрами: b₁ – ширина при входе жидкости на лопатки; b₂ – ширина на выходе. Лопатки рабочего колеса обычно имеют цилиндрическую форму; их устанавливают перпендикулярно плоскости заднего диска.

  Проанализируем основные закономерности течения жидкости в межлопастном пространстве. Выделим сечение между двумя соседними лопатками и рассмотрим течение жидкости в нем (рис.34).

 

Рис.33. Схематический разрез рабочего колеса радиального вентилятора:

1 – передний диск; 2 – задний диск; 3 – лопатка

 

  Энергия, передаваемая потоку рабочим колесом, определяется значениями абсолютных с, относительных w и окружнных u скоростей при входе и выходе из межлопастного пространства (определение см. п.5.1.2. Тепловой процесс в турбинной ступени, стр.29)

 

Рис.34. Параллелограммы скоростей в рабочем колесе радиального вентилятора

 

  Пусть на входе в рабочее колесо (точка 1) имеются окружная скорость u₁, относительная скорость w₁ и абсолютная скорость с₁ (см. рис.34). Направление скорости w₁ определяется углом β ₁, который называется углом входа. На выходе из рабочего колеса (точка 2) имеем соответственно u₂, w₂, с₂. Направление скорости w₂ определяется углом выхода β ₂. Таким образом, на входе и выходе из рабочего колеса получаем треугольники скоростей, показанные на рис. 35

Рис.35. Треугольники скоростей в лопастном нагнетателе на выходе и входе

 

  Как видно из этого рисунка, абсолютную скорость потока можно разложить на радиальную (расходную) составляющую, равную с_r = с·sin α, и окружную составляющую с_u = с·cos α, называемую скоростью закручивания.

  Вектор окружной скорости направленный по касательной к данной точке рабочего колеса радиусом r в сторону вращения рабочего колеса, вращающегося с угловой скоростью ω _о, равен:

                                                        u = ω _о · r.                                                  (61)

 

  Уравнение Эйлера для работы лопастных нагнетателей (приводится без вывода), которое с учетом радиального входа потока (с_1u =0) имеет выражение в виде:

 

                                                       Н_т = с^∞ _2u ·u₂ / g;                                         (62)

 

это уравнение определяет теоретический напор вентилятора.

  Отсюда теоретическое давление вентилятора

 

                                                       р_∞ = ρ ·u₂·с₂,                                                 (63)

где ρ – средняя плотность перемещаемого газа, кг/м³.

В реальном вентиляторе часть давления теряется в проточной части. Если оценить эти потери давления гидравлическим КПД η _г = 0, 6 ÷ 0, 9, то действительное давление вентилятора

 

                                                       р = η _г · ρ · (с_2u/u₂)·u²₂.                                 (64)

 

  Произведение = η _г · (с_2u/u₂) называется коэффициентом полного давления. С учетом последнего

                                                    р = ρ · · u²₂.                                                  (65)

  Большое влияние на коэффициент полного давления оказывает угол β ₂. В зависимости от типа лопастей угол β ₂ изменяется в пределах от 10 до 150º, в связи с чем  изменяется почти в 3 раза, от 0, 35 до 1, 2.

  Полное давление вентилятора обычно определяют при испытаниях головного образца машины:

 

                                                  р = (р₂^ст – р₁^ст) + ρ ·(с²₂ – с²₁)/2,                         (66)

 

где р₁^ст, р₂^ст – статическое давление потока соответственно на входе и выходе вентилятора; с₁ и с₂ – соответствующие скорости потока.

  Удельная полезная (индикаторная) работа, сообщенная потоку вентилятором,

Дж/кг,

 

                                                 l_i = р/ρ = (р₂^ст – р₁^ст)/ρ + (с²₂ – с²₁)/2.                (67)

 

Отсюда полезная мощность вентилятора, кВт,

 

                                                N_i = ρ ·l_i·V_о = р·V_о,                                                (68)

 

где V_о – объемная подача вентилятора, м³/с.

  Объемная подача вентилятора V_о определяется из следующего выражения, м³/с,

 

                                              V_о = π · D₂ · b₂ · с_2r.                                              (69)

 

  Мощность на валу (эффективная мощность) N_е  обычно определяется при испытании вентилятора.

  Вентиляторы характеризуются двумя КПД: полным

 

                                                η = р·V_о /N_е                                                                                            (70)

и статическим

                                               η _ст = р_ст ·V_о / N_е,                                                   (71)

 

где р_ст = р₂^ст – р₁^ст.

  Статический КПД дополняет оценку эффективности вентилятора, так как в полной энергии, сообщаемой потоку газа, существенную долю составляет кинетическая энергия. Ориентировочно η _ст меньше η на 20 – 30%.

Мощность привода вентилятора, Вт, выбирается с запасом на возможные отклонения от расчетного режима:

 

                                               N_дв = (1, 05 ÷ 1, 2) · р · V_о/ η ·η _пер,                          (72)

 

где η _пер – КПД передачи; при непосредственном соединении вентилятора и привода η _пер = 1, 0, при клиноременной передаче η _пер = 0, 92.

 

 

6.3 Характеристики лопастных нагнетателей.

 

  Характеристикой динамического нагнетателя называется графическая зависимость основных технических показателей – давления (напора), мощности и КПД от подачи при постоянном значении частоты вращения рабочего колеса.

 

Рис.36. Теоретические характеристики радиального вентилятора при различных углах установки лопаток на выходе из рабочего колеса

 

  В зависимости от величины угла выхода лопатки рабочего колеса принято называть загнутыми назад (β ₂ < 90º ), радиально оканчивающимися (β ₂ = 90º ) и загнутыми вперед (β ₂ > 90º ). Лопатки могут быть листовыми и профильными. Листовые криволинейные лопатки в общем случае (рис.37, а) определяются уравнением в полярных координатах r = r (φ ). Часто криволинейные лопатки бывают очерчены одной дугой или несколькими дугами окружности. В случае когда лопатки очерчены одной дугой окружности (рис.37, б, г, ), радиус этой окружности r_л, м, выражают через углы β ₁ и β ₂ и диаметры d₁ и d₂, т.е.

 

                                        r_л = (d²₂ – d²₁)/4·(d₂ cos β ₂ – d₁ cos β ₁).                       (73)

 

 

  В этом случае радиус r_л  равен радиусу кривизны лопатки; его знак будет положительным для лопаток загнутых назад рис.37, б), и отрицательным для лопаток, загнутых вперед (рис.37.г). Радиус окружности, на которой расположены центры дуг лопаток, м,

                                                ______________________

                                       r_ц = √ 0, 25·d²₁ + r²_л – r_л·d₁·cos β ₁ ,                               (74)

 

  

Рис.37. Схема установки листовых лопаток радиального вентилятора

а и б – загнутые назад (β ₂< 90º ); в – радиально оканчивающиеся (β ₂=90º ); г – загнутые вперед (β ₂> 90º )

 

  Одним из преимуществ нагнетателей с лопатками, загнутыми назад, является то, что потребляемая мощность при увеличении подачи по сравнению с расчетной не возрастает, а, наоборот, остается неизменной или даже снижается (рис.38). Давление при этом уменьшается, что также является преимуществом лопаток этой формы, так как при изменении сопротивления сети подача нагнетателя изменяется незначительно. Нагнетатели, имеющие рабочие колеса лопатками такой формы, характеризуются высоким КПД, получаемый в результате небольших потерь срыва в межлопастных каналах, и незначительным шумообразованием. Насосы выполняются только с лопатками, загнутыми назад, поскольку вихреобразование может привести к возникновению кавитации.

  Преимущества радиально оканчивающихся лопаток – небольшие потери на трение в межлопастных каналах; высокие коэффициенты давления и сравнительно высокие КПД. К недостаткам этих лопаток относятся значительное увеличение потребляемой мощности при увеличении подачи, что вызывает перегрузку электродвигателя и усиление шума. Нагнетатели с лопатками такой формы находят применение в системах пневмотранспорта.

  Преимущества нагнетателей с лопатками, загнутыми вперед, являются высокое давления и большие подачи. При этом окружные скорости меньше, чем при лопатках любой другой формы. Это позволяет применять рабочие колеса небольших диаметров и создавать экономически выгодные конструкции. Недостатки этих нагнетателей состоят в крутом подъеме характеристики потребляемой мощности, что создает опасность перегрузки электродвигателя, небольшие КПД и появлении значительного шума при высоких окружных скоростях.

  Для обеспечения безударного входа потока на лопастное колесо входные кромки лопаток радиальных нагнетателей обычно устанавливают так, чтобы угол β ₁ был меньше 90º.   

Рис.38. Полная характеристика вентилятора

 

  Полные характеристики нагнетателей строят в координатах р – L, N – L, η – L.

При снятии характеристики (рис.38) должны быть выполнены следующие условия: 1) конструктивные размеры нагнетателя не должны изменяться; 2) плотность перемещаемой среды должна быть постоянной; 3) частота вращения рабочего колеса должна быть неизменной.

  Характеристика полного давления р – L определяет зависимость разности полных давлений на выходе и входе в нагнетатель ( р_вых - р_вх) от подачи L. У работающего в обычных условиях нагнетателя характеристика полного давления никогда не доходит до оси абсцисс, так как поток на выходе из нагнетателя несет с собой кинетическую энергию. В зависимости от величины потерь в нагнетателе очертание характеристик и полного давления может быть полого падающим, круто падающим или иметь впадину в области малых подач. Нагнетатели с круто падающими характеристиками обеспечивают устойчивость в работе.

  Характеристика мощности N – L определяет затраты энергии, необходимой для преодоления потерь внутри нагнетателя и в присоединенной к нему сети. Полезная мощность нагнетателя равна:

                                                    N_п = р·L.

 

  Учитывая, что затраты мощности минимальны при нулевом расходе, запуск нагнетателей в работу рекомендуют осуществлять при закрытых регулировочных задвижках. В этом случае пусковой ток электродвигателя будет минимальным и не произойдет перегрузки двигателя.

  Характеристика полного КПД η – L позволяет легко оценивать эффективность работы нагнетателя при различных режимах.

  Полный КПД нагнетателя представляет собой отношение полезной мощности к мощности на валу (68 – 71).

  С ростом подачи полный КПД вначале увеличивается, а затем, достигнув максимума, уменьшается. Наибольший КПД имеют нагнетатели с рабочими колесами, у которых лопатки загнуты назад. Режим работы нагнетателя, соответствующий максимальному значению полного КПД η _max, называют оптимальным. Рабочим участком характеристики нагнетателя принято считать ту ее часть, на которой полный КПД η = 0, 9η _max.

 

6.4. Конструкции лопастных нагнетателей.

 

  Рационально сконструированный вентилятор характеризуется возможно меньшими массой, металлоемкостью и габаритами, высокой экономичностью и надежностью, а также технологичностью конструкции и наименьшими возможными эксплуатационными расходами. Особые требования предъявляются к конструкции корпуса и рабочего колеса.

  Рабочее колесо должно быть тщательно отбалансировано. Прочность и жесткость колеса зависят от конструкции и материала, из которого оно выполнено. С увеличением ширины колеса прочность и жесткость его снижаются. Конструктивные исполнения рабочих колес представлены на рис.39.       

Рис.39. Конструктивные исполнения рабочих колес радиальных вентиляторов

 

     Лопатки барабанных колес (рис.39, а) загнуты вперед, ширина колес достигает 0, 5D. Окружная скорость колес допускается до 30 – 40 м/с.

  Ширина кольцевых колес (рис.39, б) находится в пределах (0, 2 – 0, 4)D. Их окружная скорость допускается до 60 м/с.

  Большой прочностью и жесткостью обладают колеса с коническим передним диском (рис.39, в). Их окружная скорость допускается до 85 м/с.

  Трёхдисковые колеса (рис.39, г) применяются в вентиляторах двухстороннего всасывания. Достоинством колес такой конструкции является отсутствие осевого давления.

  Однодисковые колеса (рис.39, д) применяются, например, в пылевых вентиляторах и в вентиляторах высокого давления. Лопатки у этих колес присоединяются к диску и ступице.

  Бездисковые колеса (рис.39, е) с лопатками, присоединяемыми непосредственно к ступице, находят применение в пылевых вентиляторах.

 

  По ГОСТ 1016-73 вентиляторы общего назначения, тягодутьевые установки станционной теплоэнергетики (вентиляторы дутьевые ВД, дымососы Д, вентиляторы горячего дутья ВГД и мельничные ВМ) и вентиляторы специальные (шахтные ВШ, пневмотранспорта и др.).

  В соответствии с ГОСТ 5976-73 вентиляторы обозначаются буквой Ц (центробежный), далее пишется округленное число, обозначающее пятикратное значение коэффициента полного давления на режиме максимального КПД и через черточку – быстроходность, тоже округленная до целого числа. Обозначение вентилятора включает в себя и его номер – диаметр колеса в дециметрах.

  Например, центробежный вентилятор с диаметром рабочего колеса 1000 мм, имеющий на максимальном КПД = 0, 86 и n_s = 70, обозначается Ц4-70-10. Вентиляторы Ц4-70 выпускают с номерами от 2, 5 до 16 на подачу до 25 м³/с и давление до 1 кПа.

  Дымососы применяются для отсасывания дымовых газов с температурой до200º C из топок пылеугольных котлоагрегатов. Применяют дымососы одно- и двухстороннего всасывания. Для регулирования работы они оснащаются осевыми направляющими аппаратами. В обозначении типа дымососов, например ДН-15, буквы обозначают: Д – дымосос; Н – загнутые назад лопатки рабочего колеса; цифры означают диаметр рабочего колеса в дециметрах.

   Дутьевые вентиляторы предназначены для подачи воздуха в топочные камеры котлоагрегатов тепловых электростанций или крупных промышленных котельных установок. Также, как и дымососы дутьевые вентиляторы выполняют односторонними и двухсторонними. Они также оснащены осевыми направляющими аппаратами. Серийно изготовляют дутьевые вентиляторы номеров 8 – 36. Вентиляторы горячего дутья типа ВГД и ГД предназначены для подачи первичного воздуха с температурой до 400º C. В обозначении типа дутьевых вентиляторов, например ВДН-10, буквы означают: В – вентилятор; Д – дутьевой; Н – загнутые назад лопатки рабочего колеса.

НАСОСЫ

7.1. Общие определения.

  Насос – устройство, служащее для напорного перемещения (всасывания, нагнетания) главным образом капельной жидкости в результате сообщения ей энергии.

  Основное назначение насосов – повышение полного давления перемещаемой среды. В зависимости от свойств среды (чистая жидкость, загрязненная жидкость и взвесь, вязкая жидкость, агрессивная жидкость, жидкий металл, сжиженный газ и т.п.) применяются насосы различных типов и конструкций. В практике довольно часто встречаются насосы разных типов, названия которым даны в зависимости от их назначения и особенностью эксплуатации (например, питательные, циркуляционные, конденсатные насосы для тепловых электростанций и т.п.). Насосы в основном классифицируют по принципу действия и конструкции.

  Объемные насосы работают по принципу вытеснения, когда давление перемещаемой среды повышается в результате сжатия. К ним относятся возвратно-поступательные (диафрагменные, поршневые) и роторные (аксиально и радиально-поршневые, шиберные, зубчатые, винтовые и т.п.) насосы.

  Динамические нагнетатели работают по принципу силового воздействия на перемещаемую среду. К ним относятся лопастные (радиальные, центробежные, осевые) насосы и насосы трения (вихревые, дисковые, струйные и т.п.).

 

Рис.40. Схема ручного насоса

а – одноцилиндровый двухстороннего действия; б – двухцилиндровый простого действия

  Для выполнения элементарных функций – перекачивания жидкости и обеспечения различных вспомогательных операций в современной технике часто применяют поршневые насосы с ручным приводом. На рис.40 приведены схемы таких насосов. Насос состоит из цилиндра 7 и поршня 2, шток которого связан с приводной ручкой 4. При качальных движениях ручки поршень совершает возвратно-поступательные движения в цилиндре 7. При движении вправо левая рабочая камера цилиндра будет увеличиваться, в результата чего в ней создается вакуум и жидкость через всасывающий клапан 6 начинает поступать в камеру. Одновременно с этим первая полость цилиндра уменьшается, в ней создается избыточное давление, при котором откроется нагнетательный клапан 3, в результате чего жидкость будет вытеснена поршнем в нагнетательный трубопровод. При движении поршня влево полости всасывания и нагнетания поменяются местами. В этом случае жидкость будет засасываться в рабочую камеру через клапан 5 и нагнетаться через клапан 1. Поскольку часть объема рабочей камеры справа занята штоком, объем жидкости, поступающей в камеру слева, будет больше объема жидкости, поступающей справа.

 

 

Рис.41. Схема центробежного насоса

1 – входной патрубок; 2 –рабочее колесо; 3 – корпус; 4 – нагнетательный патрубок; 5 – лопатка

 

  В центробежном насосе (рис.40) перемещаемая среда, двигаясь в осевом направлении через всасывающий коллектор, попадает на вращающееся рабочее колесо, снабженное лопатками, изменяет направление своего движения к периферии колеса, закручивается в направлении вращения, поступает в спиральный кожух и затем через отверстие выходит из нагнетателя. Вал вращается в подшипниках, укрепленных на станине или непосредственно на кожухе.

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: