Основы расчета гидроструйных насосов, работающих на однородных жидкостях Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ГИДРОМЕЛИОРАЦИЯ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ

УДК 631.672.2

ОСНОВЫ РАСЧЕТА ГИДРОСТРУЙНЫХ НАСОСОВ, РАБОТАЮЩИХ НА ОДНОРОДНЫХ ЖИДКОСТЯХ

А.С. Овчинников, В.В. Вицков, И.В. Стрельцов

ФГОУ ВПО Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия.

Представлены основы расчета гидроструйных насосов, работающих на однородных жидкостях

Впервые теория гидроструйных насосов была предложена Г. Цейнером в 1863 г. Однако в связи со сложностью процессов, происходящих при смешении потоков, и взаимной передачей энергии от активного потока к пассивному до настоящего времени отсутствует общая аналитическая теория, позволяющая рассчитывать гидроструйных насосы, не обращаясь к использованию эмпирических величин. Отсутствие общей теории турбулентности, в частности, не позволяет определить длину, на которой осуществляется полное перемешивание потоков рабочей и эжектируемой жидкостей, а также значения коррективов кинетической энергии ак (коэффициент Кориолиса) и количества движения /Зк.„ (коэффициент Буссинеска) для характерных сечений струйного насоса. Для расчета гидроструйных насосов к настоящему времени предложены методы, основанные на следующих теориях: теории смешения двух потоков; теории распространения струи в массе покоящейся или движущейся жидкости; механике тел переменной массы.

Посредством введения эмпирических соотношений и коэффициентов в аналитические уравнения удалось достаточно хорошо согласовать между собой результаты расчета гидроструйных насосов, полученные по любому из перечисленных методов. Поэтому в настоящее время появилась возможность произвести некоторые обобщения и построить необходимые для практической работы расчетные графики и номограммы нормальных и частных (с учетом кавитации и влияния вязкости жидкости) гидравлических характеристик струйных насосов, а также приступить к сравнительному исследованию ранее неизученных типов гидроструйных насосов, например насосов с кольцевым рабочим соплом, кольцевых насосов с двухповерхностной струей. С другой стороны, наличие гидравлических, кавитационных и других характеристик струйных насосов позволяет разработать методы расчета и оптимизации комбинированных установок, в которых гидроструйные и другие насосы применяются совместно.

В общем случае для расчета нормальных гидравлических характеристик гидроструйных насосов необходимо определить следующие величины:

1) расходы рабочей Qp и пассивной (полезной) (Л, жидкостей (расход смешанной жидкости на выходе из гидроструйного насоса Qc = Qp + О,,;

2) полные напоры (удельные энергии) рабочей Нр пассивной Нн и смешанной Нс жидкостей.

3) два основных геометрических параметров (размера), характеризующих гидроструйный насос: площадь выходного сечения сопла Sc или его диаметра dc = dIlf и площадь поперечного сечения горловины Sr или ее диаметр dir = d2r = dr. Считается, что остальные геометрические размеры проточной части гидроструйных насосов являются известными функциями отношения dr/dc.

Гидравлический режим работы струйного насоса (рис.1) можно охарактеризовать прир = const следующими параметрами:

Рис. 1. Схема распределения давлений и скоростей жидкости в прочной части гидроструйного насоса с центральном соплом

1) рабочим напором (затрачиваемым и гидроструйном) насосе, равным разности удельных энергий рабочего потока на входе в насос (сечение 1Ц) и смешанного потока на выходе из него (сечение 2д):

А- 2 \ Г „ 2 \

н=н

р1ц

н

с 2 Д

Р р1ц V р1ц pg 2g

Рр2ц ^ р2ц

Pg 2g

(i)

2) полезным напором, создаваемым гидроструйным насосом, равным разности удельных энергий смешанного потока на выходе из насоса

(сечение 2д) и пассивного потока на входе во всасывающий патрубок (сечение

1ку.

- НС2Д Нп1к ~

( 2 \ Рс2д | У с2д

Р8 2?,

(2)

3) расход рабочей жидкости:

^р1ц^2ц ЪрщКЛ ц/4,

4) расходом пассивной жидкости (полезным расходом):

2

1Г'

с12

2Ц ,

В ряде случаев уравнения (1) и (2) будем записывать в следующем виде:

Н’

нр -Нс;

Нп= Нс -Нп.

Из уравнения (1) - (4) непосредственно вытекает выражение для КПД струйного насоса, который представляет собой отношение полезной мощности к затраченной:

>1 = Нп()н /( нш

Одним из основных элементов струйного насоса является камера смешения (горловина), где в процессе перемешивания происходит передача энергии от струи рабочей (активной) жидкости к пассивной (Эжектируемой) среде. В общем случае площади поперечных сечений (или диаметры) в начале камеры смешения (сечение 7 г на рис Л) и в ее конце (сечение 2 г) могут быть различными. Однако в результате исследований установлено, что максимальный КПД достигается при использовании гидроструйных насосов с цилиндрической камерой смешения (с//г = с12г). при использовании

цилиндрической камеры смешения процесс перемешивания рабочей и пассивной жидкостей и выравнивания скоростей жидкости по длине камеры сопровождается некоторым повышением гидростатического давления - от рн2н = рр2ц до рс2Г(рис. 1). Дальнейшее повышение давления и снижение скорости жидкости до значений, допустимых для экономического транспортирования ее по трубам, происходят в диффузоре.

Изменение (повышение) гидростатического давления в цилиндрической камере смешения от р1ц = рр2ц = рн2к до рс2Г можно

получить из уравнения изменения количества движения (теоремы импульсов):

{Р1Г$1Г~ Р2г$2г)~ = ЯсРТ>С2Г~{ЯрРТ>Р2ц + ЯнРг)Н 2ц}

Удельные энергии рабочего и пассивного потоков на границах камеры смешения (в сечениях 7 г и 2г) можно связать с удельной энергией этих потоков в сечениях 1ц (для рабочего потока), 1 к (для пассивного потока) и 2д (для смешанного - суммарного - потока).

Изменение удельной энергии потоков обусловлено, с одной стороны, обменом энергии между ними в процессе смешения в горловине, а с другой -потерями энергии (напора) при предложении жидкостью гидравлического сопротивления центрального сопла к1ц, кольцевого сопла (входа в горловину) кцо гидравлического сопротивления центрального сопротивления по длине камеры смешения (горловины) ИГ и сопротивления диффузора Л /.

Изменение удельной энергии жидкости между сечениями 1ц и 2ц (7г):

(

~К =

( П я2 ^

гр2ц и р2ц

)

у

Изменение удельной энергии жидкости между сечениями 1к и 2к (7г): / ? Л /

Рн1к _|_ и н1к

V

■к =

у

V

Рн2 к ! и н2к Рё

У

Изменение удельной энергии жидкости между сечениями 2г и 2О:

Рс2 Г

Р§

+ -

' с2Г 2g

-к

■д

С 2 \

Рс2Д V с2Д

Потери в камере смешения кГ обусловлены рассеиванием энергии при вихреобразовании, сопровождающем передачу энергии от рабочего потока к пассивному, а также трением на стенках камеры.

Библиографический список

1. Лямаев, Б.Ф. Гидроструйные установки и насосы / Б.Ф. Лямаев. - Ленинград: Машиностроение, 1988.

2. Соколов, Б.Я. Струйные аппараты / Б.Я. Соколов, Н.М. Зингер. - Энергоиздат, 1960.

3. Каменев, П.Н. Гидроэлеваторы в строительстве / П.Н. Колянев. - Москва: Стройиздат, 1984.