RU185496U1

RU185496U1 - Двухступенчатое центробежное рабочее колесо с двухсторонним входом

Info

Publication number: RU185496U1
Application number: RU2018102066U
Authority: RU
Inventors: Сергей Петрович Шипеленко
Original assignee: Сергей Петрович Шипеленко
Priority date: 2018-01-18
Filing date: 2018-01-18
Publication date: 2018-12-06

Abstract

Появление новых технологических процессов и производств требует создания высокопроизводительного насосного оборудования, отвечающего требованиям науки и техники [3].

Центробежные насосы хорошо работают на всасывание, но имеют низкие показатели на выходе [1].

В исследовании ВГУЭС [4] в области «Влияние формы лопастей на режим работы колеса» приведены выводы:

- в уравнение теоретического напора (уравнение Эйлера) не входит вес жидкости.

Следовательно, развиваемый насосом напор не зависит от рода перекачиваемой жидкости.

- при скорости движения газа значительно меньше скорости распространения звука в нем, газ ведет себя как капельная жидкость. В связи с этим уравнение Эйлера справедливо и для газов.

Можно с уверенностью заявлять, что предлагаемая модель также надежно будет работать в насосах для перекачивания газоконденсатов и газов. Для эффективности этих насосов вторая ступень напора должна проектироваться с учетом сжимаемости перекачиваемого в нем газоконденсата или газа.

При движении частицы жидкости вдоль стенки лопасти аналога, векторы скоростей меняют свое направление, на что затрачивается передаваемая энергия от лопасти. В модели на участке где лопасти имеют радиальное направление, они сохраняют свое направление, увеличивая лишь абсолютную величину.

Основное уравнение турбомашин (Эйлера) связывает геометрические и кинематические характеристики рабочего колеса с развиваемым им напором [4],

H_тр.U₂ ²/g, учитывая, что U₂=π⋅D₂⋅n/60, n - частота вращения, об/мин.

Изменения частоты вращения с 1500 об/мин на 3000 об/мин в модели увеличит напор на выходе в 3÷4 раза в сравнении с аналогом.

Description

Модель (фиг. 1) состоит: из двух наружных дисков (1) с входами (7) и ступицы (6), которые остаются без изменения как у аналога. Внутренний диск (2) и цилиндрические (в профиле) лопасти (3) между средним и наружными дисками остаются в размере около 40% от величины D₂-D₀ (D₂ - наружный диаметр рабочего колеса, D₀ - диаметр входа в колесо), тоже без изменения и образуют зоны всасывания. Далее около 20% занимает межлопастной кольцевой канал (5), в который жидкость поступает из обеих сторон всасывания. Оставшиеся 40% отводится для зоны напора, в которой лопасти (4) расположены в радиальном направлении на выходе модели и загнуты на входе в сторону вращения. Модель, как и ее аналог, представляют единую деталь, отлитую в форме. Аналогом модели является рабочее колесо насоса ВВ1 компании АО «Транснефть. Нефтяные насосы». Лопасти на входе одной стороны колеса повернуты на оси вала по отношению к другой на полшага лопастей.

Так как модель не несет в себе изменения наружных размеров ее аналога, то она устанавливается в корпус того же насоса. Число лопастей в этой зоне в 4 и более раз больше количества лопастей аналога и зависит от наружного диаметра модели и вязкости перекачиваемой жидкости.

Модель не нарушает технических требований к рабочему колесу.

Аналогом модели является центробежное рабочее колесо с двухсторонним входом одноступенчатого насоса с рабочим колесом двухстороннего входа и горизонтальным разъемом корпуса па оси вала. Это насосы типов; Д, НД (НД_н, НД_с, НД_в).

Насос Д для подачи воды и других чистых жидкостей.

Насосы НД (НД_н, НД_с, НД_в) для подачи нефти и нефтепродуктов. Индексы «_н», «_с» и «_в» соответственно означают «низконапорный», «средненапорный» и «высоконапорный». Насосы - аналоги 1990 г. (Центробежные насосы. Конструкции и рабочие характеристики: Уч. Пос., - авт.: Л.А. Тарасова, М.X. Терехов; - М.: МГУИЭ, 2005. - 86 с.).

Аналог имеет; два наружных диска с входами в них и одного внутреннего диска со ступицей, цилиндрических лопастей, расположены между внутренним и наружными дисками. Таким образом, обе половинки являются нормальными рабочими колесами с односторонним входом, конструктивно они соединены так, одна сторона представляет зеркальное отражение другой.

Эти насосы имеют много типоразмеров в зависимости от подачи и напора на выходе, каждому соответствует рабочее колесо с соответствующими размерами и каждому соответствует модель.

Это рабочие колеса с соотношением D₂/D₀=2÷3 (Расчет и проектирование центробежных насосов. [Текст]: учебное пособие / С.А. Воронов. - Ковров ФГБОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярева». 2011), где

D₂ - наружный диаметр колеса, мм;

D₀ - диаметр входа в колесо, мм.

Аналоги. Далее приведены типы насосов с областью их применения и их производители, рабочие колеса которых подлежат модернизации под модель:

- ВВ1 по API 610 (ГОСТ32601), аналог НД. Имеет 4 типоразмера. Предназначен для подачи товарной нефти и светлых нефтепродуктов магистральным трубопроводам. Компания АО «Транснефть Нефтяные насосы», [https:// pumps.transneft.ru].

- НДР соответствует API 610 тип ВВ2. Имеет 6 типоразмеров. Предназначен для перекачки нефти и нефтепродуктов по магистральным трубопроводам. ОАО «ЭНА». Щелковский насосный завод [www.ena.ru].

- 1Д630/90К (8НД_в-Х), 1Д500/60 (6НД_в-Х).Насосы для атомной отрасли. АО «ЛГМ». Московский насосный завод. [www.aolgm.ru].

- Насосы DeLium (Де Лиум), аналоги НД_с, НД_в. Новое поколение насосов двухстороннего входа с горизонтальным разъемом корпуса для перекачки нефти и нефтепродуктов. Имеется 46 марок насосов. ОАО ГМС «Ливгидромаш». [www.hms-livgidromash.ru].

- Насосы Д, 1Д, 2Д, НД_с, НД_в. Для подачи воды и нефтепродуктов. Имеется 155 марок насосов. ОАО ГМС «Ливгидромаш». [www.hms-livgidromash.ru].

Проблема у всех центробежных насосов одна, это потеря напора на выходе из рабочего колеса, главного рабочего органа центробежного насоса.

Для всех колес характерно: 6÷8 цилиндрических лопастей, их угол обхвата 70÷110°, шаг лопастей 45 или 51°30', цилиндрические лопасти загнуты в противоположную сторону от вращения рабочего колеса с угол наклона на выходе из колеса β₂=15÷20° и расчет напора по построению треугольника скоростей на выходе рабочего колеса (Центробежные насосы. Уч. - метод. Пос. к курсовому проекту / Н.Е. Лаптева. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2012. - 53 с.; Расчет и проектирование центробежных насосов. [Текст]: учебное пособие / С.А. Воронов. - Ковров ФГБОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярева». 2011; Центробежные насосы. Конструкция и расчет: Учебное пособие / В.К. Фурсов, Г.Я. Фурсова. - Комсомольск на Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2005, - 78 с.).

В межлопастных каналах рабочего колеса частицы жидкости участвуют в сложном движении:

- переносном - вместе с рабочим колесом;

- относительном - по отношению к стенкам межлопастных каналов;

- абсолютном - результирующим по отношению к вышеуказанным движениям.

Вектор относительной скорости W₂ частицы в любой точке профиля лопасти направлен по касательной к нему в сторону противоположную вращению колеса.

Вектор переносной (окружной) U₂ скорости частицы в любой точке профиля лопасти направлению касательной к окружности в сторону вращения колеса.

Из треугольника (фиг. 2,а) скоростей на выходе из колеса, который всегда строится для расчета скоростей и напора по ним, видно, что проекция вектора W_2U относительной скорости на вектор переносной имеет противоположное направление, т.е. относительная скорость создает «торможение» переносной. Часть переносной расходуется на преодоление относительной скорости и лишь оставшаяся расходуется на создание напора (Расчет и проектирование центробежных насосов. [Текст]: учебное пособие / С.А. Воронов. - Ковров ФГБОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярева». 2011). Это и есть основная причина потери напора на выходе из колеса.

Абсолютное движение межлопастного канала рабочего колеса в плане представляет собой вращение с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения центробежного колеса. Поступающая в канал жидкость в силу инертности сопротивляется этому вращению. Поэтому в межлопастном канале имеет место вращательное движение жидкости относительно его стенок (Проектирование насосных станций и испытание насосных установок. В.Ф. Чебаевский. ВО. «Агропромиздат». 1989).

Каждая лопасть центробежного колеса «давит» на жидкость, обтекающую ее. Поэтому у передней стороны лопасти статистическое давление в жидкости будет больше, чем у задней. Вследствие этого вдоль передней стороны лопасти жидкость движется с меньшими относительными скоростями, чем вдоль задней, что также способствует вращательному движению жидкости в межлопастном канале (Проектирование насосных станций и испытание насосных установок. В.Ф. Чебаевский. ВО. «Агропромиздат». 1989).

При увеличении диаметра рабочего колеса, увеличивается шаг лопастей и увеличении скорости вращения рабочего колеса, вращение жидкости в межлопастных каналах увеличивается (гидравлическое сопротивление), что приводит к снижению напора и КПД насоса (Сайт цифровых методических материалов. Владивостокский Государственный университет экономики и сервиза, www.vvsu.ru. - 84 с.).

Результаты заводских испытаний центробежных насосов (Центробежные насосы. Конструкции и рабочие характеристики: Уч. Пос., - авт.: Л.А. Тарасова, М.X. Терехов; - М.: МГУИЭ, 2005. - 86 с.) показывают:

- насосы имеют невысокий напор;

- низкий КПД до 70%;

- не стабильность напора от величины подачи и скорости вращения рабочего колеса;

- резкое увеличение гидравлического сопротивления при больших скоростях вращения рабочего колеса.

В учебно-методическом пособии (Центробежные насосы. Уч. - метод. Пос. к курсовому проекту / Н.Е. Лаптева. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2012. - 53 с.), в уравнение Эйлера для расчета напора

H=U₂ ²⋅Ψ⋅i/g,

где, U₂ ²=π⋅D₂⋅n/60 - окружная (переносная) скорость на внешнем диаметре D₂ колеса;

Ψ=0,4÷0,7 - коэффициент напора; i = число ступеней (рабочих колес) насоса.

Коэффициент напора показывает, что в центробежном колесе с лопастями загнутыми назад, только половина окружной (переносной) скорости расходуется на создание напора, а остальная расходуется на погашение относительной скорости.

Сущность полезной модели. На входе модель в зонах всасывания функционирует так же, как ее аналог. Жидкость поступает в межлопастные каналы с обеих сторон и под воздействием лопастей вовлекается во вращательное движение вместе с колесом и получает от них давление. В этом состоянии она поступает в межлопастной кольцевой канал с обеих зон всасывания, в котором она восстанавливает одинаковое давление по кольцу на подходе к лопастям зоны напора и создает равномерность потока в межлопастные каналы зоны напора. Загнутость лопастей на входе создает безударный вход жидкости на лопасти.

При движении жидкости в зоне напора (фиг. 2, б) на участке, где лопасти имеют радиальное направление (угол β₂=90°), в любой точке вектор передачи воздействия (направления вращения жидкости) от лопасти на жидкость совпадает с направлением переносной U₂ (окружной) скорости. Этот вектор в любой точке на лопасти составляет 90° с касательной к лопасти, проведенной через эту же точку, и совпадает с касательной к окружности в этой точке (окружной скоростью). Вектор относительной W₂ скорости направлен по касательной к лопасти, т.е. по радиусу на выход из модели и создается под воздействием центробежной силы. Его угол с вектором переносной скорости равен 90°, т.е. его проекция на вектор переносной скорости равна нулю. Силы трения жидкости о лопасти очень малы и на вектор окружной скорости не влияют.

В исследовании ВГУЭС (Сайт цифровых методических материалов. Владивостокский Государственный университет экономики и сервиза, www.vvsu.ru. - 84 с.) в области «Влияние формы лопастей на режим работы насоса» (фиг. 2, б) приведено заключение: Для лопаток, загнутых вперед с увеличением β₂ растет абсолютная скорость на выходе из колеса, что должно приводить к росту напора. Однако при очень больших абсолютных скоростях режим работы насоса становится неустойчивым и КПД насоса уменьшается вследствие возрастания гидравлических сопротивлений. Однако колеса с большими углами β₂ имеют меньшие радиальные размеры или числа оборотов при том же напоре.

Для лопастей, у которых β₂=90°, V_2U=U₂, следовательно (подошли к уравнению Эйлера)

H_тр=U₂ ²/g (Сайт цифровых методических материалов. Владивостокский Государственный университет экономики и сервиза, www.vvsu.ru. - 84 с.), где

V_2U - проекция вектора абсолютной скорости на выходе на вектор переносной на выходе;

U₂ - вектор переносной скорости на выходе;

Н_тр - теоретический напор на выходе из колеса.

Это заключение подтверждает правильность технического решения полезной модели:

Увеличение напора на выходе из модели по сравнению с ее аналогом почти в 2 раза.

Однако при очень больших абсолютных скоростях режим работы насоса становится неустойчивым и КПД насоса уменьшается вследствие возрастания гидравлических сопротивлений (Сайт цифровых методических материалов. Владивостокский Государственный университет экономики и сервиза, www.vvsu.ru. - 84 с.).

Это вышеприведенное заключение объясняется следующими двумя причинами:

- при больших абсолютных скоростях разница давлений между передней и задней стенками лопастей увеличивается, что проводит к увеличению вращательного движения жидкости в межлопастных каналах;

- увеличение напора в отводном канале вокруг рабочего колеса создает отток из его жидкости в зону низкого давления сзади лопасти. Есть выражение «насос работает на себя».

Для устойчивой работы насоса в режиме больших абсолютных скоростей в моделе предусмотрено увеличение лопастей в зоне напора в несколько раз.

Это уменьшает шаг лопастей в несколько раз, что уменьшает зону низкого давления сзади задней стенки лопасти так же в несколько раз и гидравлические сопротивления.

При этом должен соблюдаться закон Бернулли о неразрывности потока, который выражается уравнением:

V₁⋅S₁=V₂⋅S₂, где

V₁, V₂ - соответственно радиальные скорости на выходе аналога и модели;

S₁, S₂ - соответственно площадь сечений каналов на выходе аналога и модели.

Радиальная скорость потока на выходе модели больше, чем аналога, следовательно, сечение каналов в ней меньше в обратной пропорциональности скоростям аналога и модели.

Рассчитываются все величины в уравнении и из разницы S₁ - S₂ рассчитываются величина уменьшения сечения каналов модели, которая заполняется дополнительными лопастями, а разделив ее на площадь сечения лопасти, получим число дополнительных лопастей в модели.

Это позволяет сохранить размеры аналога, снизить гидравлические сопротивления и повысить напор на выходе модели.

Эти колеса имеют незначительные различия:

- одни имеют внутренний и наружные диски равных диаметров;

- другие имеют внутренний диск в диаметре на 30-40% меньше наружных и дальше к выходу лопасти «сквозные».

Компания АО «Транснефть. Нефтяные насосы» приступила к производству нового магистрального насоса типа ВВ1 (аналог НД) с рабочим колесом с двухсторонним входом, отличительной особенностью которого является то, одна сторона колеса относительно к другой повернута на валу на величину «пол шага лопастей», что уменьшает вибрацию насоса.

Рабочие колеса насосов DeLium (ДеЛиум) фирмы АО «ГМС Ливгидромаш» имеют внутренний диск на 30-40% меньше наружного.

Недостаток этих (ДеЛиум) насосов:

- они все полуторатысячники (частота вращения колеса 1450 об/мин);

- низкое давление на выходе;

- при такой скорости вращения рабочего колеса меньшие гидравлические сопротивления, что и повышает их КПД.

Так вот, если в этих насосах рабочее колесо заменить на модель и частоту вращения колеса изменить на 3000 об/мин (модель стабильно работает и при абсолютно высоких скоростях) то на выходе получим напор в 3÷4 раза выше

Осуществление модели в производстве. Модель, как и ее аналог, представляют одну деталь, отлитую в форме, которая сохраняет все наружные размеры аналога.

В рабочих чертежах аналога на изготовление формы для его отлива удаляются около 60% величины лопастей и внутреннего диска. Оставите лопасти на выходе имеют угол β₂=15÷20°, выход внутреннего диска как у аналога. 20% отводится для межлопастного кольцевого канала. В оставшейся междисковой полости проектируют радиально направленные лопасти, загнутые на входе. Радиус загиба лопасти зависит от диаметра рабочего колеса. Угол входа на лопасть β₁=8÷15°. Количество дополнительных лопастей рассчитывается по вышеприведенной методике. Рассчитанное общее сечение каналов на выходе, допускается снизить на коэффициент стеснения лопастей Ψ=0,9÷0,95 (. Расчет и проектирование центробежных насосов. [Текст]: учебное пособие / С.А. Воронов. - Ковров ФГБОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярева». 2011; Сайт цифровых методических материалов. Владивостокский Государственный университет экономики и сервиза, www.vvsu.ru. - 84 с.).

В рабочих чертежах колеса для обработки копируются вышеприведенные изменения, а все размеры и допуски остаются прежними.

Обработка производится как аналога.

Claims

Двухступенчатое рабочее колесо центробежного насоса с двухсторонним входом, содержащее два наружных диска и внутренний диск в зоне всасывания, цилиндрические лопасти первой ступени, установленные между наружными и внутренним дисками в зоне всасывания, и радиальные лопасти второй ступени, установленные между наружными дисками и загнутые на входе в направлении вращения колеса, при этом между ступенями образован межступенчатый кольцевой канал.