автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Создание центробежного насоса сверхнизкой быстроходности для систем термостабилизации, работающих в экстремальных условиях

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Проблемы, возникающие при проектировании насосов сверхнизкого ns. Обзор работ, посвященных данной теме.

1.1. Постановка задачи.

1.2. Основные проблемы, возникающие при разработке центробежного насоса сверхнизкой быстроходности.

1.3. Обзор литературы, посвященной проблемам создания центробежных насосов низкой и сверхнизкой быстроходности с щ открытыми и полуоткрытыми рабочими колесами.

Глава 2. Анализ насосов сверхнизкой быстроходности и возможные пути повышения их эффективности.

2.1. Анализ возможных конструктивных схем рабочих колес.

2.2. Оценка потерь дискового трения в насосе сверхнизкого ns с открытым и закрытым рабочим колесом.

2.2.1. Оценка потерь дискового трения на закрытом и открытом рабочем колесе при работе на жидкости малой вязкости.

2.2.2. Оценка потерь дискового трения на закрытом и открытом рабочем колесе при работе на жидкости высокой вязкости.

2.2.3. Сравнительный анализ работы закрытого и открытого рабочего колеса с точки зрения потерь дискового трения.

2.3. Сравнение энергетических характеристик закрытого и открытого рабочих колес.

2.4. Сравнение закрытого и открытого рабочих колес с точки зрения эксплуатационных характеристик.

2.5. Обоснование выбора типа рабочего колеса.

2.6. Анализ геометрических факторов, влияние которых на параметры насоса сверхнизкого ns с открытым рабочим колесом является наиболее существенным.

Глава 3. Описание экспериментальных установок, методики проведения исследований и оценка погрешностей измерений.

3.1. Стенд для испытаний насосных агрегатов на чистой воде.

3.1.1. Снимаемые в ходе испытаний параметры и приборы для их измерения.

3.1.2. Методика проведения испытаний и обработки результатов эксперимента.

3.1.3. Определение величин погрешностей экспериментальных данных.

3.1.3.1. Погрешность измерения частоты вращения вала насоса.

3.1.3.2. Погрешность измерения напора насоса.

3.1.3.3. Погрешность измерения мощности на клеммах электродвигателя.

3.1.3.4. Погрешность измерения подачи насоса.

3.1.3.5. Погрешность измерения температуры рабочей жидкости.

3.1.3.6. Погрешность определения числа Рейнольдса.

3.1.3.7. Погрешность определения КПД насоса.

3.1.3.8. Погрешность определения безразмерного напора.

3.2. Стенд для испытаний насосных агрегатов на рабочей жидкости ОЖ-40 при нормальных условиях.

3.3. Стенд для испытаний насосных агрегатов на рабочей жидкости ОЖ-40 и ОЖ-65 в термобарокамере.

3.3.1 Методика проведения испытаний и обработки результатов эксперимента.

3.4. Стенд для испытаний насосных агрегатов на рабочей жидкости высокой вязкости при нормальных условиях.

3.5. Стенд для ресурсных испытаний насосных агрегатов на рабочей жидкости ОЖ-40.

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований влияния элементов проточной части насоса на его параметры.

4.1. Условия проведения экспериментов и экспериментальное оборудование.

4.2. Основные экспериментальные зависимости, полученные в ходе экспериментов.

4.2.1. Влияние угла установки лопастей на выходе на параметры насоса.

4.2.2. Влияние количества лопастей гл на параметры насоса.

4.2.3. Влияние толщины лопастей 5Л на параметры насоса.

4.2.4. Влияние переднего торцевого зазора 5i на параметры насоса.

4.2.5. Влияние заднего торцевого зазора 52 на параметры насоса

4.2.6. Влияние зависимости b/D2 от r/R2 на параметры насоса.

4.2.7. Влияние отношения Da/D2 на параметры насоса.

4.2.8. Влияние подрезки рабочего колеса по внешнему диаметру на параметры насоса.

4.2.9. Влияние наличия разгрузочных отверстий в заднем диске рабочего колеса на параметры насоса.

4.2.10. Влияние шероховатости поверхности рабочего колеса на параметры насоса.

4.2.11. Влияние диаметра горла диффузора спирального отвода на характеристики насоса.

4.2.12. Влияние параметров направляющего аппарата на характеристики насоса.

4.3. Выводы о степени влияния основных геометрических параметров рабочего колеса на характеристики насоса и рекомендации по выбору оптимальных величин этих параметров

4.4. Предлагаемый порядок расчета открытого рабочего колеса центробежного насоса сверхнизкой быстроходности.

Глава 5. Работа насосов данного типа при низких температурах окружающей среды и высоких вязкостях рабочей жидкости.

5.1. Постановка задачи.

5.2. Гипотеза о возможности ламинарного режима жидкости в каналах проточной части насоса.

5.3. Оценка величины перепада давления на рабочем колесе насоса при наличии в нем ламинарного режима течения жидкости.

5.4. Экспериментальное определение параметров насоса при его работе на высоковязкой жидкости.

5.4.1. Определение параметров насоса во всем диапазоне температур рабочей жидкости.

5.4.4. Определение величины потерь в элементах направляющего аппарата.

5.4.5. Доработка направляющего аппарата с целью снижения

• гидравлических потерь в нем.

Выводы и результаты.

Одной из проблем, встающих перед разработчиками систем термостабилизации военного и гражданского назначения, является необходимость создания специализированных насосов низкого (<40) и сверхнизкого (<20) ns, отвечающих таким требованиям, как возможность работы на загрязненных жидкостях, при низких температурах окружающей среды и рабочей жидкости, и при этом имеющих достаточно высокий КПД и ресурс работы. Хотя сфера применения таких насосов относительно узка, потребность в них, не удовлетворяемая нашей промышленностью, существует.

Основными проблемами при создании насосов данного типа являются отсутствие методик расчета проточной части подобных машин, сложность обеспечения требуемой величины ресурса работы (с учетом возможности работы на загрязненных жидкостях), низкий КПД насоса, являющийся следствием высоких дисковых и гидравлических потерь в насосах низких ns, а также обеспечение запуска и устойчивой работы насосов на жидкостях высокой вязкости (при низких температурах окружающей среды). Для автономных систем термостабилизации, работающих в условиях ограничения мощности, вопросы повышения КПД приобретают особую остроту, а для необслуживаемых систем основной проблемой является достижение высокой надежности машины.

Существующие в настоящее время циркуляционные насосы малой мощности при работе в вышеописанных условиях имеют чрезмерно малый ресурс и низкую надежность. В связи с этим возникла необходимость создания ряда насосов такого типа, отвечающих требуемым условиям.

В ходе работ по созданию насосов данного типа был успешно разрешен ряд проблем, как поставленных разработчиками при проектировании, так и возникших в ходе испытаний опытных насосов и эксплуатации серийных образцов. Анализ большого количества накопленных экспериментальных данных позволил выявить ряд закономерностей, характерных для насосов такого типа, и уточнить представления о балансе энергии в насосе сверхнизкого ns, что позволило наметить пути дальнейшего повышения эффективности и ресурса работы таких насосов и выработать конкретные рекомендации по их проектированию.

Насосы, созданные на основе предложенных в данной работе рекомендаций, зависимостей и конструктивных решений, в настоящее время успешно эксплуатируются в системах термостабилизации различного назначения, работающих в нормальных и экстремальных условиях.

Выводы и результаты.

Основным результатом работы является создание ряда 1- и 2-х ступенчатых центробежных насосов сверхнизкой быстроходности, способных работать длительное время на загрязненной жидкости и при высокой вязкости рабочей жидкости.

Обобщая результаты исследований, можно сделать следующие выводы:

1. Доказана возможность создания достаточно экономичных насосов сверхнизкой (менее 20 на 1 ступень) быстроходности, способных работать в экстремальных условиях.

2. Определена зона нечувствительности КПД насоса сверхнизкого ns с открытыми рабочими колесами к осевому зазору между рабочим колесом и корпусом.

3. Определено влияние «степени открытости» рабочего колеса сверхнизкой быстроходности на характеристики насоса.

4. Установлено, что при малых ns практически отсутствует влияние угла установки лопастей рабочего колеса на параметры насоса.

5. Определена малая степень влияния числа лопастей рабочего колеса на параметры насоса.

6. Подтверждена зависимость для насосов данного типа напора и расхода от диаметра рабочего колеса, известная из теории подобия лопастных гидромашин.

7. Установлен факт, что в полуоткрытом колесе (степень открытости = 0,5) наличие разгрузочных отверстий в диске увеличивает напор насоса.

8. Оценена величина потерь в каналах закрытого рабочего колеса сверхнизкой быстроходности при наличии в нем ламинарного режима течения.

9. Экспериментально доказана возможность существования ламинарного режима течения в каналах направляющего аппарата и определены соотношения потерь для различных участков каналов при этом режиме течения.

10. Приведены рекомендации по расчету и проектированию рабочих колес и направляющих аппаратов центробежных насосов сверхнизкой быстроходности с открытыми рабочими колесами с учетом их работы на рабочих жидкостях высокой вязкости.

1. Айзенштейн М.Д. Центробежные насосы для нефтяной промышленности. -М.: Гостоптехиздат, 1957. -363 с.

2. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. М.: Машиностроение, 1982. -Т.2 - 560 с.

3. Байбаков О.В. Вихревые гидравлические машины. М.: Машиностроение, 1981. —197 с.

4. Батаев О.В. Методика расчета тихоходных радиальных гидротурбин// Труды ВНИИГидромаша. 1970. - Вып. 40. - С. 164181.

5. Богданов В.Н., Малежик И.Ф, Верхола А.П. Справочное руководство по черчению. М.: Машиностроение, 1989. - 720с.

6. Будов В.М. Насосы АЭС.-М.: Энергоатомиздат, 1986. -408 с.

7. Буренин В.В., Гаевик Д.Т. Конструкция и эксплуатация центробежных герметичных насосов.-М.Машиностроение, 1977.-151 с.

8. Высокооборотные лопаточные насосы/ Под ред. Б.В. Овсянникова и В.Ф. Чебаевского. М.: Машиностроение, 1975.-336 с.

9. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учеб. машиностроительных вузов/ Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. М.: Машиностроение, 1982. — 423 с.

10. ГОСТ 6134-71, Насосы динамические. Методы испытаний. М., 1972.-21 с.

11. Давыдов И.В. Исследование направляющих аппаратов центробежного насоса // Труды ВИГМ. 1958. - Вып. XXII. - С. 3-22.

12. Иванюшин А.А., Швиндин А.И. Центробежные насосы для сахарной промышленности с открытыми рабочими колесами // На-сосы-96: Труды VIII МНТК. Сумы, 1996. - С. 119-123.

13. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. M.-JL: Госэнергоиздат, 1960. -464 с.

14. Караханьян В.К. Новые насосы для перекачивания различных взвешенных неабразивных веществ, волокнистых масс и газонасыщенных суспензий // Качество и эффективность насосного оборудования: Труды ВНИИГидромаш. -М., 1984. С. 3-16.

15. Карелин В.Я. Кавитационные явления в центробежных и осевых насосах. М.: Машиностроение, 1975. - 335с.

16. Краев М.В., Кишкин А.А. Оценка мощности механических потерь рабочего колеса малорасходного центробежного насоса // Известия вузов. Авиационная техника. 1989. - №4 - С. 89-91.

17. Краев М.В., Лукин В.А., Овсянников Б.В. Малорасходные насосы авиационных и космических систем. М.: Машиностроение, 1985.- 128 с.

18. Лабораторный курс гидравлики, насосов и гидропередач / Под ред. С.С. Руднева и Л.Г. Подвидза. М.: Машиностроение, 1974.-245с.

19. Лабутин В.Е. Определение КПД насоса с открытым рабочим колесом при нарушении геометрического подобия // Повышениетехнического уровня насосного оборудования: Сборник научныхтрудов ВНИИГидромаш. М., 1990. - С. 58-64.

20. Лабутин В.Е., Солодченков В.Ф. Совместная работа спирального отвода с открытым рабочим колесом // Проблемы насосострое-ния и их решение: Сборник научных трудов ВНИИГидромаш. -М., 1989. -С. 5-11.

21. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдений. М.: ГИФМЛ, 1958. - 334 с.

22. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М. Наука, 1970. -904 с.

23. Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы. М.-Л.: Машиностроение, 1966. — 364 с.

24. MATHCAD 6.0 PLUS. Финансовые, инженерные и научные расчеты в среде Windows 95. М.: ИИД «Филин», 1996. - 525 с.

25. Матвеев И.В., Лабутин В.Е. Пути повышения коэффициента напора химических насосов ns=40.60 с открытыми рабочими колесами, имеющими прямые лопасти // Труды МВТУ. 1986. -№468.-С. 73-100.

26. Матвеев И.В., Лабутин В.Е. К выбору оптимального числа прямых цилиндрических лопастей открытого рабочего колеса насоса низкой быстроходности // Труды МВТУ. 1987.- №494. - С. 54-67.

27. Матвеев И.В., Петров А.И. Исследование влияния на напорную характеристику насоса переднего зазора между открытым рабочим колесом и корпусом // 50 лет каф. ГМ: Тез. докл. МНТК -М., 1996.-С. 87.Я

28. Матвеев И.В., Петров А.И. Исследование влияния рабочих колес сверхнизкого коэффициента ns на эффективность работы центробежного насоса // Гидромашины, гидроприводы и гидро-пневмоавтом.: Тез. докл. МСНТК- М., 1999. С. 26.

29. Матвеев И.В., Петров А.И. Исследование влияния формы ведущего диска рабочего колеса центробежного насоса сверхнизкого ns на характеристики насоса // Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтом.: Тез. докл. МСНТК М., 1998. - С. 62.

30. Матвеев И.В., Петров А.И. Исследование центробежного насоса сверхнизкой быстроходности с рабочим колесом открытого типа // Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтом.: Тез. докл. МСНТК- М., 1997.-С. 35.

31. Машин А.Н. Расчет и проектирование спирального отвода и полуспирального подвода центробежного насоса. М.: Изд. МЭИ, 1980.-44 с.

32. Мисюра В.И., Овсянников Б.В., Присняков В.Ф. Дисковые насосы. М.: Машиностроение, 1986. - 112 с.

33. Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Конструкция и расчет центробежных насосов высокого давления. М.: Машиностроение, 1971.-305 с.

34. Налимов В.В. Теория эксперимента. М.: Наука, 1971. - 250 с.

35. Наумов В.В. Исследование рабочих органов малорасходных насосов низкой быстроходности (ns<40): Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1982.-22 с.

36. Овсянников Б.В., Боровский Б.И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1979. 344 с.

37. Петров А.И. Влияние высокой вязкости рабочей жидкости на параметры центробежных насосов сверхнизкой быстроходности с открытыми рабочими колесами // Гидромашиностроение. Настоящее и будущее.: Тез. докл. МНТК-М., 2004. С. 50.

38. Петров А.И. Проблемы запуска циркуляционных насосов систем термостабилизации при низких температурах // Forth International Specialized Exhibition «AQUA-THERM 2000»: Seminar "WATER TREATMENT". M., 2000. -P.52.

39. Петров А.И. Работа центробежных насосов сверхнизкой быстроходности на рабочих жидкостях высокой вязкости

40. Вестник ПГТУ. Гидравлические машины и гидроавтоматика. -Пермь, 2001.-С. 150-159.

41. Петров В.И., Чебаевский В.Ф. Кавитация в высокооборотных лопастных насосах. М.: Машиностроение, 1982.-224 с.

42. Полоцкий Н.Д., Богницкая Ф.А., Агульник P.M. Расчет отводящих устройств центробежных насосов. М.: ЦИНТИХИМНЕФ-ТЕМАШ, 1967. -С. 17-32.

43. Прокофьев Ю.В. К определению потерь дискового трения // Труды ВНИИГидромаш. 1967. - Вып. XXXVI. - С. 15-27.

44. Пфлейдерер К. Лопаточные машины для жидкостей и газов. М.: Машгиз, 1960.-683 с.

45. Пырков А.А. Плоская модель течения в диффузорных каналах направляющих аппаратов // Насосы-96: Труды VIII МНТК. -Сумы, 1996.-С. 154-161.

46. Ржебаева Н.К., Агаджанова С.В. Разработка физической модели течения в полуоткрытых рабочих колесах центробежных насосов с коэффициентом быстроходности ns<80 // Труды НТК СГУ. -Сумы, 1998.- С. 101 105.

47. Ржебаева Н.К., Иванюшин А.А. Исследование и разработка насосов с полуоткрытыми рабочими колесами // Насосы-96: Труды VIII МНТК. Сумы, 1996. - С. 124-127.

48. Ржебаева Н.К., Ржебаев Э.Е., Агаджанова С.В. Исследование полуоткрытых рабочих колес центробежных насосов // Труды НТК СГУ.-Сумы, 1998. -С. 106-112.

49. Руднев С.С., Матвеев И.В. Методическое пособие по курсовому проектированию лопастных насосов. М.: Изд. МВТУ, 1974. - С. 35.

50. Рязанов С.Д. Рабочее колесо центробежного насоса малой быстроходности // Химическое и нефтяное машиностроение. 1984. -№11.- С. 8-9.

51. Синев Н.М., Удовиченко П.М. Герметические водяные насосы атомных энергетических установок. -М.: Атомиздат, 1967.-375 с.

52. Синенко Ю.И.К вопросу снижения потерь в рабочем колесе низкой быстроходности// Труды ВИГМ.-1963.-вып.ХХХН.-С.65-93.

53. Спасский К.Н. Аветисян Р.А. Экспериментальное исследованиеструктуры потока в канале открытого рабочего колеса центробежного насоса низкой быстроходности // Тр. ВЗПИ.- 1974.-Вып.90. 23 с.

54. Спасский К.Н., Шаумян В.В. Новые насосы для малых подач и высоких напоров. М.: Машиностроение, 1973. - 160 с.

55. Суханов Д.Я. Работа лопастных насосов на вязких жидкостях. -М.: Машгиз, 1952. 46 с.

56. Тарг С.М. Основные задачи теории ламинарных течений. М.-JI.: Гостехтеориздат, 1951. - 323 с.

57. Шендрик В.В. Рабочий процесс и методика расчета проточных частей динамических насосов с полуоткрытыми и открытыми рабочими колесами: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Сумы, 2003.-18 с.

58. Яременко О.В. Испытания насосов. М.: Машиностроение, 1976. - 224 с.

59. Engeda A., Rautenberg М. Loss sensitivity factor of half-shrouded centrifugal impellers // World Pumps. 1988.-№6. - P. 256.

60. Engeda A., Rautenberg M. The effect of a front shroud on partial flow and cavitation performance of centrifugal impellers // XX Journ-ees de l'Hydraulique. Lion, 1989. - P. 17.1.

61. Holzenberger K. Vergleich von zwei Umrechnungsverfahren fur die Kennlinien von Kreiselpumpen bei der Forderung zaher Flussigkeiten // KSB Techn. 1988. - №25. - S. 45.

62. Ohta Hiroaki, Aoki Katsumi. Исследование характеристик центробежных насосов при перекачивании высоковязких жидкостей //Trans. Jap. Soc. Mech. Eng. 1990.- № 526. - P. 1702.