Рис. 12.47. Зависимость относительной мощности от относительного напора открытого импеллера

0,8 0,6

о 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24 d/R

Рис. 12.48. Зависимость коэффициента напора открытого импеллера от относительного зазора

Таблица 12.4 Характеристики открытых импеллеров

/У 7

Н,кВт

Рис. 12.49. К определению мощности трения оребренной стороны открытого импеллера

Рис. 12.50. Зависимость относительной мощности открытого импеллера от относительного перепада давлений

Мощность этих импеллеров при предельных давлениях приближенно можно оцепить по формуле

5 (5 -Ь а -Ь /г)

1 -ь

где Сл - экспериментальный коэффициент трения (С, = 0,0082 для импеллеров с лопатками; = 0,0065 для импеллеров с каналами); 5, а, h - осевой и радиальный зазоры, высота лопаток импеллера (рис. 12.49).

Экспериментальная зависимость относительной мощности от относительного перепада давлений р2 = (2 ~ /Rj для импеллеров с лопатками и каналами, размеры которых указаны в табл. 12.4, приведена на рис. 12.50.

Увеличение осевого § и радиального а зазоров приводит к увеличению мощности, потребляемой импеллером (рис. 12.51 и 12.52).

Закрывая по наружному диаметру лопатки импеллера козырьком, можно уменьшить потребляемую им мощность. При этом снижается обмен количествами движения и момент трения жид-

т 4мм

Рис. 12.51. Зависимость мощности открытого импеллера с каналами (Яг = 60 мм; Ri = = 15 мм; Л = 4 мм, а = 1,5 мм; 2 = 24, со = от осевого зазора

a/R,

Рис. 12.52. Зависимость мощности от радиального зазора открытого импеллера

Рис. 12.53. Зависимость мощности открытого импеллера (/) и с козырьком (2) от относительного перепада давлений (L- высота козырька)

Рис. 12.54. Открытый импеллер с лопатками полукруглой формы

0,75

0,25 0,5 0 75ф+а)

Рис. 12.55. Зависимость коэффициента напора импеллера с полукруглыми лопатками от осевого зазора

0,75 0,50

1500 2000 п,мин- а)

Рис. 12.56. Напорная (а) и мощностная (б) характеристики открытых импеллеров с радиальными лопатками;

1 - диаметром 200 мм; 2 - диаметром 300 мм

кости ПО наружному диаметру (рис. 12.53).

Импеллер с большим числом (24) лопаток полукруглой формы (рис. 12.54) создает перепад давлений, который мало зависит от осевого зазора (рис. 12.55).

На рис. 12.56 в относительных координатах даны характеристики импеллеров с открытыми лопатками.

Пример расчета импеллера. Определить напор, создаваемый импеллером с размерами r2 = 50 мм, Rg= \ 5 мм, h = 5 мм, 5=1 мм и Z = 6 при п = 5800 мин".

По кривой на рис. 12.56, а находим при h/{h + Ь) = 0,83 Я = 0,85.

Тогда V = 2ЯЯ2П/6О = 30,4 м/с;

Уо = глЯо/бО = 9,1 м/с.

Отсюда получаем

Н = H{v - vl)/2 = 2,6,4 м.

Согласно экспериментальным данным Я = = 36,5 м.

Рис. 12.57. Схема течения жидкости в открытом импеллере

Функции импеллерпых уплотнений заключаются в предотвращении утечек жидкости наружу и попадания наружного воздуха в корпус машины (например, насоса). Последнее требование к импеллерам не всегда предъявляют. Герметичностъ открытых импеллеров связана с вихревым движением жидкости между их лопатками или в каналах. Осевые вихри (с осями, параллелъ-ными оси вращения), вызванные инерцией жидкости, подсасывают воздух или газ в радиальных направлениях с тыльной стороны лопаток (рис. 12.57). Интенсивность этого процесса увеличивается с уменьшением давления жидкости перед импеллером. Утечки жидкости наружу определяются действием радиальных вихрей, возникающих в результате обтекания жидкостью импеллера в окружном направлении и трения жидкости о неподвижную стенку. Эти процессы взаимосвязаны и взаимообусловлены.

На утечки жидкостей через импеллерные уплотнения наружу влияют: частота его вращения, относительный напор (отношение напора к предельному), вязкость жидкости и плотность окружающего газа. По экспериментальным данным, на утечки жидкости влияет ее поверхностное натяжение. При а < < 49-10" Н/м утечки отсутствуют [16].

Кроме капельных утечек существуют

Qn, г/с

0,2 АЛ 0,6 р„МПа

Рис., 12.58. Зависимость паровых утечек открытого импеллера от давления в газовой полости:

/ - керосин; 2 - азотная кислота

утечки в виде паровой фазы жидкости. Они в сильной степени зависят от давления в газовой полости (рис. 12.58). Уменьшению этих утечек способствует снижение температуры в газовой полости, уменьшение ее радиуса увеличение плотности газа и скрытой теплоты парообразования.

Расход воздуха или газа, засасываемого импеллером, зависит в первую очередь от радиуса границы фаз (рис. 12.59).

Конструктивные мероприятия, уменьшающие расход засасываемого воздуха,- увеличение числа лопаток импеллера, устройство козырька (см. рис. 12.53) или кольцевых выступов на неподвиж-

Qc, смУмин

«4 0,5

0,7 0,8 0,9 Rr

Рис. 12.59. Зависимость расхода газа, засасываемого импеллером, от относительного радиуса зеркала жидкости

Рис. 12.60. Импеллер с кольцевыми выступами на неподвижной стенке

иои стенке (рис. 12.60). Последнее мероприятие, как и увеличение числа лопаток импеллера, снижает интенсивность осевых вихрей в межлопаточном пространстве.

Закрытые импел.теры. Минимальный расход жидкости через закрытые импеллеры определяется утечками через их щелевые уплотнения. Жидкость из щелевого уплотнения вытекает в широкое пространство на входе в импеллер, заполненное наружным воздухом или газом. В результате на входе в импеллер образуется газожидкостная эмульсия. В связи с этим закрытые импеллеры, работающие в качестве концевых уплотнений, часто не обеспечивают необходимой герметичности и развиваемое ими давление значительно меньше теоретического. Такие конструктивные мероприятия, как увеличение числа лопаток (до 16), более плавное профилирование входа жидкости в импеллер и увеличение радиуса входных кромок лопаток повышают герметичность и напор импеллеров. Расход воздуха или газа у закрытого импеллера больше, чем у открытого.

Закрытые импеллеры рекомендуются для работы при nojmoM заполнении жидкостью, например, в качестве устройств, разгружающих от давления концевое уплотнение. При этом коэффициент напора закрытых импеллеров выше, чем у открытых, поскольку жидкость в их каналах ограничена четырьмя вращающимися поверхностями (лопаток и дисков), и он практически не зависит от осевого зазора.

На рис. 12.61 приведена зависимость относительной мощности от относи-телыюго напора закрытого импеллера.

0,75 Н/Н„р

Рис. 12.61. Зависимость относительной мощности от относительного напора закрытого импеллера

Н 0,75 0,50

то 1500 2000 п,М11Н-< а)

N-10> 15 10

1500

2000 п,мин-

Рис. 12.62. Напорная (а) и мощностная (б) характеристики закрытых импеллеров с радиальными лопатками:

/-диаметром 200 мм и шириной 8 мм; 2 - диаметром 200 мм и шириной 3 мм

на рис. 12.62 - зависимости коэффициентов напора и мощности от частоты вращения закрытых импеллеров диаметром 200 и 300 мм при их полном заполнении водой.

Полуоткрытые импеллеры. Внутренняя часть импеллера выполнена с открытыми лопатками с целью обеспечения его высокой герметичности, а наружная, наиболее эффективная в создании давления - с закрытыми лопатками. Щелевое радиальное уплотнение расположено по наружному диаметру импеллера.

На рис. 12.63 показана зависимость относительной мощности от относительного напора импеллера.

Коэффициент напора импеллера практически не зависит от осевого зазора. На рис. 12.64 приведены зависимости коэффициентов напора и мощности импеллеров от частоты их вращения.

О 0,25 0,50 0,15Н/Нпр

Рис. 12.63. Зависимость относительной мощности от относительного напора полуоткрытого импеллера

1000 N10

1500 2000 п,тн

1000

1500 2000 п,тн-

Рис. 12.64, Напорная (а) и мощностная, (б) характеристики полуоткрытых импеллеров диаметром 200 (кривая /) и 300 мм (кривая 2)

Для импеллеров всех типов достаточно точно соблюдаются зависимости развиваемого перепада давлений и потребляемой мощности соответственно от квадрата и куба частоты вращения.

Гладкий диск. Импеллеры можно устанавливать либо на валах машин, либо в отдельные камеры, либо, как принято в насосостроении, выполнять их заодно с рабочими колесами лопастных насосов (см. рис. 12.1). В первом случае возникает трение в жидкости между двумя гладкими поверхностями - неподвижной поверхностью камеры и вращающейся поверхностью диска.

Рис. 12.65. Режимы течения жидкости в зазоре между гладким диском и камерой (/, , /К-области различных режимов

течения)

Чтобы правильно оценить перепад давлений и мощность импеллера, необхо-ди.мо знать эти характеристики для диска, вращающегося в кольцевой камере.

В зависимости от числа Рейнольдса Rcj = соЯд/у, где Яд - наружный радиус диска, существуют четыре режима течения жидкости в зазоре между диском и камерой (рис. 12.65) [8]. Мощность, Вт, дискового трения

N = Qp/?i(o

Здесь Cf - коэффициент сопротивления:

/ S \", ", Cf = A, - Re,,

где /1;, ш,-, П; - коэффициенты, зависящие от режима течения (табл. 12.5); 5 - осевой зазор между диском и стенками камеры.

При расчете перепада давлений, создаваемого диском, используют общую зависимость Др = флЮЯдР/2, где фл «0,5.

Таблица 12.5 Коэффициенты мощности гладкого диска

Силы, действующие на импеллеры. Примеры их установки в насосах. Импеллеры устанавливают на ва.пы, вращающиеся в подшипниках, при расчете которых необходимо учитывать силы, действующие на импеллеры.

В соответствии с зависимостью (12.7) гидростатическая осевая сила, действу-ющая на открытый импеллер со стороны лопаток,

Р=0,25ярш>л(2-Л?)-

Распределение давления на дисках закрытых импеллеров подобно распределению давления в пазухах рабочих колес лопастных насосов, поэтому закрытые импеллеры применяют в насосах не только для сниже1шя давления перед концевыми уплотнениями, но и для разгрузки роторов насосов от осевой силы. Гидростатическую силу можно определить из соответствующих зависимостей, полученных для рабочих колес насосов [2]. Она зависит от направ.пения и значения утечек жидкости через щелевые уплотнения импеллера. Если утечки направлены к оси вращения, эпюра распределения давления по радиусу более выпуклая и осевая сила возрастает.

На рис. 12.66 показаны эпюры рас-

Рис. 12.67. Закрытый импеллер

пределения давления в закрытом импеллере диаметром 300 мм с двумя щелевыми уплотнениями (рис. 12.67). Подобные эпюры распределения давления характерны и для полуоткрытых импеллеров (рис. 12.68) с одним щелевым уплот-HciHicM по наружному диаметру (рис. 12.69). На рис. 12.70 показано рабочее колесо лопастного насоса с полуоткрытым импеллером.

100 R,MM

О SO 100 R,MM

Рис. 12.66. Эпюры распределения давления между стенкой закрытого импеллера и камерой при различных частотах вращения, мин":

/ -2000; 2 - 1510; 3 - 1000

Рис. 12.68. Распределение давления в направлении радиуса в камере между полуоткрытым импеллером и корпусом при различных частотах вращения, мин"; ; - 1000; 2 - 1500; 3 -2000

Рис. 12.69. Полуоткрытый импеллер