Овсянников Б.В., Чебаевский В.Ф., 1975 - Высокооборотные лопаточные насосы, страница 2

Они просты по конструкции, имеют малые массы и габариты, обладают высокой экономичностью. Благодаря повышенной угловой скорости вращения приводом для этих насосов без применения редуктора могут быть такие агрегаты, как газовые турбины или высокооборотные электрические машины. Весь агрегат насос- привод .получается довольно компактным, относительно малой массы и достаточно экономичным. При этом, чем выше частота вращения вала, тем больший эффект может быть достигнут по всем указанным выше показателям.

Не случайно такие агрегаты нашли наиболее широкое применение в ракетостроении и авиации. В качестве примера на рис. 1 показан турбонасосный агрегат отечественного жидкостного ракетного двигателя РЛ-107, используемого на первой ступени ракеты-носителя для вывода космических аппаратов на околоземную орбиту и к ближайшим планетам Солнечной системы )21). Этот агрегат обеспечивает подачу топлива (жидкого кислорода и углеводородного горючего) из баков ракеты в камеру сгорания двигателя под высоким давлением. Приводом для насосов является газовая турбина, работающая на продуктах разложения концентрированной перекиси водорода. На рис.

2 показана применяемая в самолетных гидравлических системах конструкция авиационного насосного агрегата с высокооборотным электродвигателем. Подобных агрегатов, например, только в топливной системе самолета Ту-114 установлено двадцать восемь. Естественно, что характеристики этих агрегатов оказывают существенное влияние на полетный вес, энергетический баланс и надежность летательного аппарата [4) На рис.

3 представлена конструкция стационарного турбонасосного агрегата ПТ-15-60у, предназначенного для питания горячей водой паровых котлов на электростанциях малой и средней мощности. Высокая скорость вращения вала агрегата (гэ= =730 рад/с), наличие предвключенного шнека позволяют полу- чить относительно большие напоры насоса (2,7 МПа) при малом потребном давлении на всасывании (О,!4 МПа) и малых габаритах агрегата. Все это приводит к снижению затрат при строительстве электростанций. Рис. !. Турбонасосный агрегат двигателя РД-107 Повышению угловой скорости вращения рабочего колеса высокооборотного насоса препятствует опасность возникновения в его проточной иягтн явления кавитации — нарушения сплошно- Рис.

2. Авианионный насосный агрегат с высокооборотным электродвига- телем сти потока с образованием паро-газовых включений — каверн. Следствием возникновения кавитации в насосе могут быть: изменение энергетических характеристик насоса, а при сильно развитой кавитации — полный срыв режима насоса, т. е. резкое снижение его напора, производительности, мощности и к. п. д.; вибрация; шум; эрозионное повреждение стенок. Для предотвращения нежелательных последствий кавитации приходится либо повышать давление жидкости на всасывании (например. в емкости, откуда перекачивается жидкость), либо снижать угловую скорость вращения вала насоса. И то, и другое ухудшает технические и экономические характеристики установок и сооружений, в которых применяются высокооборотные насосы.

Рнс. 3, Турбонасосный агрегат ПТ-15-ббу Особое значение имеет этот вопрос в ракетостроении и авиации, где снижение массы конструкции является определяющим требованием. )"гоэтому для летательных аппаратов возможность повышения антикавитацнонных свойств насосов (т. е, способность их работать при более низких давлениях на всасывании при высокой угловой скорости вращения) является основным направлением совершенствования яасосных агрегатов. В настоящее время высокооборотный шнеко-центробежный насос является насосом, обладающим наиболее высокими антикавитационными качествами.

Это достигается установкой перед центробежным колесом предвключенного осевого колеса — шнека, лопатки которого имеют винтовую поверхность. Установка шнека перед центробежным колесом позволяет увеличивать частоту вращения вала насоса в 3 — 4 раза без повышения давления на всасывании. Шнек имеет малый напор, необходимый лишь для предотвращения кавитационного срыва центробеж- 10 ного колеса, которое в основном обеспечивает напор насоса, Отличительной особенностью высокооборотного центробежного насоса является высокое давление, создаваемое им, иногда достигающее в ракетных двигателях величин 50 — 60 МПа. Высокое давление в проточной части высокооборотных насосов и необходимость герметичности при их работе требуют часто установки уплотнительного колеса центробежного типа — импеллера (см.

поз. 7 на рис. 4). Шнек и центробежное колесо работают совместно. Их геометрические параметры и характеристики должны быть взаимно увязаны. От правильного согласования гидравлических и кавитационных характеристик этих колес зависит возможность получения высоких антикавитационных свойств насоса, а в некоторых случаях и максимальной экономичности. Одним из требований к высокооборотным насосам является многорежимность, т.

е. в ходе эксплуатации они должны работать в широком диапазоне режимов по Я и ы. Шнеко-центробежные высокооборотные насосы хорошо удовлетворяют этому требованию. Следует отметить, что шнеко-центробежный насос на рабочих режимах обычно работает с наличием очагов кавитации в проточной части, т: е. по существу является в процессе эксплуатации кавитирующпм насосом. Наличие очагов кавитации, ограниченных определенными областями, чаще всего не влияет на величину создаваемого насосом напора, либо влияет незначительно. Однако эти очаги кавитации могут быть причиной неустойчивости в работе пасоса и системы емкость — трубопровод — насос. Кроме того, при длительной работе насоса на режимах с кавитацией может наступить зрозионное повреждение стенок и лопаток рабочих колес. Чтобы избежать этого последствия, псобходимо или выбирать режимы работы насоса такими, чтобы кавитационная эрозия не наступила (скорость течения жидкости в рабочих каналах не должна превышать некоторой предельной величины (подробнее см.

гл. !1!), или ограничивать время работы насоса. Практика эксплуатации высокооборотных шнеко-центробежных насосов показывает, что шум и высокочастотные вибрации, возникающие при наличии кавитации в проточной части, не имею~ существенного значения, т. к. имеются более мощные источники шума и вибрации, связанные с большой частотой вращения вала и применением специфических приводов (например, газовой турбины). Итак, наиболее характерными особенностями высокооборотных шнеко.центробежных насосов являются: — высокая напорность ступени; — высокие антикавитационные качества; — наличие уплотнительных элементов центробежного типа— импеллера; — многорежимность; — сравнительно небольшой ресурс работы, ограничиваемый кавитационной эрозией; — малые габариты и массы.

Схема устройства высокооборотного лопастного насоса Основные параметры н характернстнкн На рис. 4 приведена схема устройства высокооборотного шнеко-центробежного насоса, где указаны его основные злементы и характерные сечения: ! †! — вход в шнек; 2ш — 2ш — вы- Сбл Рал Рнс.

4. Схема устройства высокооборотного шнеке-центробежного насоса: т — вхолноя патрубок; я — жнековое колесо; а — центробежное колесо: а — спнральный сборннк: а — коннеескнй лнффуэор; а — уплотннтельные элементы с птаваюжнын «ольцаын; 7 — уплотннтельное устройство — ныпеллер ход из шнека; ! ц †! ц — вход на лопатки центробежного колеса; 2 — 2 — выход из центробежного колеса; 3 — 3 — вход в конический диффузор. Рабочая жидкость с давлением рв„через входной патрубок! поступает в шнековое колесо 2, которое повышает ее давление на величину арно необходимую для нормальной устойчивой работы центробежного колеса 3 без кавитационного срыва. Основной напор жидкости создается центробежным колесом 3, после которого жидкость с высоким динамическим и статическим напором собирается в спиральном сборнике 4.

Оттуда она поступает в конический диффузор 5, где динамическая составляющая напора жидкости в значительной степени преобразуется в статическую. Обычно по обеим сторонам центробежного колеса !2 имеются шелевые уплотнительные элементы с «плавающими» кольцами 6. Кроме этого, установлено еше одно уплотнительное устройство — нмпеллер 7. На рнс. 5 показана для примера конструкция высокооборотного насоса. В этой конструкции применен коленообразный подвод жидкости к насосу. На рис. 5 хорошо видны все уплотнительные элементы насоса.

Рис. 3. Пример конструктивного выполнении высокооборотного шнено-центро- бежного насоса Основными внешними параметрами высокооборотного лопастного насоса являются: ы — угловая скорость вращения вала на- соса, рад/с; 9 — объемный расход жидкости через насос, ма/с (л/с); Рмхх — Рвх отвыв вх Н Р""' Р'х + напор насоса, Дж/кг; Р 2 й/ — потребляемая насосом мощность, кВт; т) = — коэффициент полезного действия; Р'гх О л/ М =- — — + — — кавнтационный запас насоса, Дж/кг.

Рвх Рв вх р 2 Под кавитационным запасом (требуемым подпором) будем понимать превышение удельной энерпш жидкости (напора) на входе в насос над удельной энергией, соответствующей давлению упругости насыщенного пара при данной температуре, обеспечивающее работу насоса в зависимости от требований к не- му — без кавитационного срыва или вообще без кавитации и т. и.