Применение эжектора у входа в лопастные (грунтовые) насосы Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Б.В. Ухин

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЖЕКТОРА У ВХОДА В ЛОПАСТНЫЕ (ГРУНТОВЫЕ) НАСОСЫ

Эжектиравоние на всасывающем трубопроводе лопастных (грунтовых) насосов широко применяется на земснарядах и различных насосных станциях.

Эжекторы (водоструйные насосы) имеют весьма существенно простую конструкцию и эксплуатация их весьма несложна.

При эксплуатации любых лопастных насосов достаточно часто их работа происходит в кавитационном режиме. Для грунтового насоса в этом случае имеет место увеличение гидроабразивного износа рабочего колеса, снижение ресурса работы подшипниковых узлов, понижение напора и расхода и уменьшение производительности земснаряда или земустановки по грунту.

Эжекторные устройства могут размещаться на входе во всасывающую трубу грунтового насоса земснаряда осуществляя гидрорыхления и эжектирования или близко у входа в насос [1, 2, 3].

Установка эжектора у входа в насос, обеспечивающего подпор на 2^4 м вод. столба, позволяет увеличить надежность его эксплуатации, повысить производительность и глубину разработки грунта земснарядом. Подача рабочей воды в эжектор снижает объёмную концентрацию гидросмеси в напорном трубопроводе земснаряда. Исходя из этого, расход рабочей воды рекомендуется устанавливать не более 1/3 от подачи грунтового насоса.

С. Огородниковым [2] было установлено, что напор эжектора зависит от вакуумметрического давления на входе в насос. Это обстоятельство важно для определения оптимальных параметров эжектора (водоструйного насоса). С целью более детального выявления влияния на напор эжектора вакуумметрического давления на всасывающей трубе лопастного насоса и относительных расходов рабочей воды и подачи его были проведены в ОНИЛ «Гидромеханизация» МИКХиСа стендовые и теоретический исследования.

Рис. 1. Конструктивная схема эжектора: 1 - всасывающий трубопровод; 2 -коллектор водяной; 3 - напорный водовод питания эжектора; 4 - насадки (6 шт.); 5 - камера смешения.

Стендовые исследования выполнялись на циркуляционной гидравлической установке с грунтовым насосам 5ГР8 (ГР150/35).

На рис. 1 изображен эжектор. В приёмной камере 2, в которую подавалась рабочая вода расходом Qo, находились 6 сменных насадок диаметром d0 = 6 мм или d0 = 6,7 мм. Угол оси насадок 4 относительно оси эжектора составил а = 11,50.

Струи воды из насадок истекали с начальной скоростью VI) в камеру смешения 5, обеспечивая передачу механической энергии потоку воды, проходящей по всасывающей трубе 3. В результате передачи энергии струями воды создавался напор на входе в грунтовый насос. Конструкция эжектора имела увеличенное сечение приемной камеры из-за необходимости замены насадок другого диаметра.

В процессе экспериментов устанавливались различные подачи грунтового насоса 4 при расходах рабочей воды Q0 = 0 и Q0 = 5,7-10" 3 м3/с (^ = 6 мм) и Q0 = 6,6-10"3 м3/с (^ = 6,7 мм). При этом фиксировались вакуумметрические давления Рв1 на входе в насос. Использование задвижки на всасывающей трубе позволяло изменять гидравлические сопротивления до эжектора. С целью определения местных гидравлических потерь кон-

0,8

1,2

1,6

2,0

2,4

2,8

ЬЛ

3,6

Я& <? V

Р.

Рис.2 Имеете #тршжжщёоя° шшситтви тивжтжгтО^чи

наЩ9ОиЯ,1еоШШШ1ф>Шев!<тора О» ТРи сеРии опытов с верхней кривой при О» = » (без эжектора), нижней - О» = 5,71»3 М/с (при работе эжектора).

струкции эжектора были проведены специальные опыты. В результате этих опытов было установлено, что коэффициент местных сопротивлений £ = 0,76.

На рис. 2 представлены 3 серии опытов по определению напора эжектора. Всего было проведено 21 серия экспериментов.

Опыты показали, что напор эжектора Нн зависит от вакуум-метрического напора Нв и он увеличивается от повышения Нв в трубопроводе независимо от того, как изменяются гидравлические сопротивления до эжектора или после него. На напор эжектора влияет главным образом соотношение количества движения рабочей воды pQoVo и суммарного pQV (р - плотность воды; V - средняя скорость во всасывающей трубе). На рис. 3 показаны результа-

ак,

ты экспериментов, характеризующие зависимость Нн = ДНв,

при Qo = 5,7-10-3 м3/с.

В результате аппроксимации результатов опытов была получена следующая формула по вычислению напора эжектора.

)

Рис.4 Зависимость приведенного напора Нн0 от отношения

ол QV

при Нв = 0.

Построенные кривые:----------по эмпирической формуле (2)

________по теоретическим формулам (5, 6).

Нн = (1+0,3Нв)| (0^)3/8 (!)

Приняв Нв=0 зависимость (1) можно выразить следующим образом:

Нн0 = 2( бЛ)3/8 (2)

н 5 ОГ

Результаты экспериментов и кривая, построенная по формуле (4), приведены на рис.6. Напор эжектора Нн представлен на рис.6 к виду

Н

Нн0=

1 + 0,3Я„

(3)

На рис. 4 видно, что зависимость (2) хорошо согласуется с результатами опытов и подтверждает, что напор эжектора зависит от

ОУо

отношения количества движения

Полученная экспериментальная зависимость (1) отражает конструктивную особенность эжектора (рис. 1).

В связи с этим представилось целесообразным получить теоретическое решение для определения напора эжектора. Расчетная

схема эжектора (водоструйного насоса) с кольцевым подводом рабочей жидкости показана на рис. 5.

Напор эжектора равен разности удельных энергий потоков жидкости в сечениях 4-4 и 1-1. Используя уравнение Бернулли, уравнение энергии применительно к сечениям 2-2 и 4-4 а также уравнение количества движения. Была получена следующая формула для определения напора эжектора.

Нн=

3 ^а + Ь 0 Х!*. - Ь. 0 *£ - (1+д_'3

/4 04 ё /4 04 2 ё

(4)

/4 04 ё /4 04 8 /4 04 2ё 2 ё

Рассмотрим полученное теоретическое выражение (18) применительно к стендовым исследованиям, проведенным на воде:

То = У2 = У4; с = 0,76; Q4 = Q; Q2 = Q - Qо

Исходная зависимость приобретает следующий вид

Нн=Мо. 1^А^а+ 0 00 У2У-^-1,76 —

0 ё 0

_ 40 . у = 4(0 -00) . V? =

- 0^00 V2_ -1,76 V! 0 2 ё 2 ё

(5)

D = 0,13 м, Уз =

nd

nd

В таблице приведены вычисления Нн по формуле (19) при Q0 = 5,7-10"3 м3/с, а = 11,50

р0-10"3 м3/с 25 30 35 40 45 50 55 60 65

У0, м/с 33,6

У2 м/с 1,45 1,83 2,2 2,58 2,95 3,33 3,71 4,08 4,46

У м/с 1,88 2,26 2,63 3,01 3,38 3,76 4,14 4,51 4,89

Нн м 1,25 1,19 1,11 1,02 0,91 0,82 0,68 0,56 0,41

Рис. 5. Расчетная схема эжектора с кольцевым подводом рабочей жидкости

ж

QV

Нн0 м

(5

Нн0 м (2)

4,07 2,82 2,08 1,59 1,26 1,02 0,84 0,71 0,6

0,63 0,6 0,56 0,51 0,46 0,41 0,34 0,28 0,21

0,68 0,59 0,53 0,48 0,44 0,4 0,37 0,35 0,33

Полученное теоретическое решение более точно соответствует эксперименту по определению напора эжектора при Нв = 3,3 м. Тогда напор эжектора, приведённый к Нв = 0 согласно формуле

(3)

Нн0 = 0,5Нн (6)

В таблице представлены вычисления значения Нн0 согласно формуле (5). В этой же таблице приведены вычисления Нн0 согласно эмпирической зависимости (2) применительно к опытным величинам Q и Q0.

Значения Нн0 вычисленные по формуле (5) и, как видно из таб-Q V

лицы, при >0,84 весьма близки. На рис. 6 изображены кривые

Н„- = ч 0ф), _„ьЮ „ да„„ь,м таблицы. Теореме-

ская зависимость (4) хорошо согласуется с экспериментальными величинами напора эжектора. Для вычисления напора эжектора при различных вакуумметрических напорах на входе в лопастный насос при работе на воде, формула имеет следующий вид:

Нн = [О- ^а+(1-0-Х "-^ )-(|+0£-] (7)

2 0 g 0§ 2§ 2§

Исходя из вышеизложенного полученную формулу (7) можно рекомендовать для определения напора кольцевого и струйного

О V

эжекторов при условии ~^Г >0,75.

Эжектор (водоструйный насос) у входа в грунтовый насос земснаряда 350-50 л. Для подачи рабочей воды в эжектор выберем центробежный насос Д 1600/90(14НДС) с диаметром рабочего колеса D2 = 460 мм, п = 1480 об/м. В приемной камере эжектора устанавливается 6 цилиндрических насадок d0 = 40 мм. Расход рабочей воды, подаваемый в насадки Q0 = 900 м3/ч. Подачу грунтового насоса 20Р11М принимаем Q = 300 м3/ч. Скорость истечения воды через насадки У0 = 33 м/с. Диаметр всасывающей трубы насоса d = 600 мм. Средние скорости до эжектора и после него:

у2= 4(0-О0) 4(0-О0) = 4(4300-900) = 3 34 ^

2 лd2 лd2 л-0,62 • 3600 ’ ’

У3 = -40- = 4,23 м/с.

лd2

Угол наклона оси насадок а = 120 и коэффициент местных сопротивлений примем £ = 0,1. Напор эжектора вычисляем по формуле (21) полагая, что вакуумметрический напор насоса Нв = 6 м (согласно кавитационной характеристике насоса 20Р11М).

тт ,1 + 0,3• 6 чг, 900 33• 4,23 п „ 900 ЧД34• 4,23 3,342

Нн = (--- --)[(-------- —со8120 + (1------)(-------------------) -

2 4300 9,81 4300 9,81 2 • 9,81

4,232

- (1 + 0,1)^2^] = 3,64 м 2 • 9,81

Коэффициент полезного действия эжектора определяем по формуле Г ибсона:

_ = 02 Нн

00( Н - Нн)’

где Q2 = Q - Q0 - расход до эжектора; Н - напор перед насадками.

С некоторым приближением принимаем Н = 72 м.

КПД насоса:

3400 • 3,64 ___

п =-------------- = 0,20.

900(72 - 3,64)

Полученный КПД эжектора вполне удовлетворителен, учитывая отсутствие в его конструкции специальной камеры смешения.

Для подачи рабочей жидкости в эжектор, по предложению

Н. Кожевникова, можно использовать метод рециркуляции, т.е. отбор части расхода гидросмеси из напорного трубопровода грунтового насоса земснаряда. В этом случае не нужен центробежный насос для подачи воды в эжектор и не будет разбавления гидросмеси за счет расхода рабочей воды Qo.

---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кожевников Н.Н. Применение и совершенствование устройств земснарядов «Гидротехническое строительство» №1,1995.

2. Огородников С.П. Инжектирование на землесосных снарядов. М.: Гос-строиздат, 1962.

3. Ухин Б.В. Оптимизация параметров эжекторного без приемной камеры устройства земснаряда. «Гидротехническое строительство» №5, 2004.

— Коротко об авторах

Ухин Б.В. - МИКХиС.