книги из ГПНТБ / Пфлейдерер, Карл. Лопаточные машины для жидкостей и газов водяные насосы, вентиляторы, турбовоздуходувки, турбокомпрессоры

повышение давления. Таково же влияние ребер, прилитых к стенкам кожуха.

Вследствие этих трудно учитываемых расчетов побочных влияний целесообразно применение приближенных формул, охватывающих рассматриваемое явление в целом. Из условий подобия можно получить точное соотношение

представляет функцию удельного числа оборотов. Представляется допустимым принимать в широких пределах значение К равным

Для лопаток двоякой кривизны с выходной кромкой, параллель­ ной оси, ничего не изменяется в данном расчете. Было бы непра­ вильно учитывать здесь еще дополнительное осевое усилие лишь потому, что давление на лопатку имеет еще осевую компоненту; последняя находится внутри контрольных плоскостей, которые были расположены вокруг колеса при применении закона количества дви­ жения; следовательно, она представляет внутреннюю силу, уравно­ вешенную внутренней противодействующей силой.

При наличии полуосевого выхода и выходной кромки, парал­ лельной оси, изменяется только уравнение (12. 5), так как создается выходной импульс ('у V/g) c2mcose2, где е2 представлет угол наклона средней линии тока на выходе относительно оси. Следовательно, имеем

ходных машин, то давление в зазоре действует на площадь к (г|о—г|,)

где Яр вычисляется из средней линии тока.

Если, кроме того, отсутствует наружный покрывной диск (фиг. 166), то следует осевое давление А1а, приходящееся на открытую сторону колеса, пересчитать при соответствующем предположении о законе нарастания давления до величины, равной давлению в зазоре Яра в точке а2. Если при этом Aj в уравнении (12. 2) принимают равным значению, лежащему между rst и Г2г, то получается значение, обо­ значаемое А 1г, которое, очевидно, можно вывести из уравнения (12. 3), если в него ввести г2 = г; = г2г. Тогда А = Л1г — А1а + Ар — А 2.

Яр,, и Нра определяют на основании уравнения (12. 4) или (12. 4а) для точек аг и ;2 на выходе. Приближенная формула (12. 7) и (12. 7а) часто применяется в расчете быстроходных машин,

491

100. УРАВНОВЕШИВАНИЕ ОСЕВОГО ДАВЛЕНИЯ ПУТЕМ СООТВЕТСТВУЮЩЕГО ВЫПОЛНЕНИЯ И РАСПОЛОЖЕНИЯ

РАБОЧИХ КОЛЕС

Если бы силу осевого давления, нагружающую ротор насоса, воспринимал подпятник, то при больших напорах как размеры под­ пятника, так и мощность трения получились бы несоразмерно боль­ шими. По этой причине в настоящее время силу осевого давления стараются уравновесить с помощью гидравлической противодей­ ствующей силы. От применения того или иного уравновешивающего приспособления в значительной мере зависит и длительность и эко­ номичность работы насоса. Способ уравновешивания силы осевого давления является часто наиболее характерным для различных кон­ струкций.

Другое простейшее мероприятие состоит в применении двухсто­ роннего всасывания (см. фиг. 318), причем поверхности давления и тем самым также давление с обеих сторон — одинаковы, поскольку размеры точно соответствуют друг другу.

Умногоступенчатых насосов можно применить несколько колес

сдвухсторонним всасыванием, что приводит, однако, к весьма слож­ ной схеме водоподводящих каналов. Кроме того, применение много­ поточной схемы одновременно с установкой колес последовательно по ступеням давления в одном и том же насосе является мероприя­ тием, противоречащим самому себе, так как первое приводит к пони­ жению, а второе к повышению числа оборотов. В то же время, однако, оба мероприятия уменьшают величину n2V, следовательно, дополнительное разрежение на всасывании, и поэтому благоприятно действуют, согласно разделу 38, на устранение кавитации или влия­ ния приближения к скорости звука, кроме компенсации осевого давления.

Ввиду того что двухстороннее всасывание увеличивает число ступеней, эту конструкцию используют только при большой произ­ водительности. Симметрическое расположение рабочих колес, как показано на фиг. 308 и 309, позволяет избежать затруднения с под­ водом и отводом воды. Такая схема применяется для крупных насосов питания котлов и для турбовоздуходувок.

В то же время двухстороннее расположение всасывающих отвер­ стий нашло широкое распространение при последовательном соеди­ нении рабочих колес с односторонним всасыванием; возможности такого соединения показаны схематически на фиг. 295 и 306. Эти насосы имеют незначительные потери в зазоре благодаря применению одного уплотняющего кольца на всасывании каждой ступени и отсут­ ствию специальных уравновешивающих приспособлений, и несмотря на сложную форму каналов, снова приобрели в последнее время определенное значение для насосов горячей воды [364]. Ввиду того, что левое и правое колеса представляют зеркальное изображение друг друга, их необходимо изготовлять по различным моделям.

Уравновешивание силы осевого давления может быть осущест­ влено также и при одностороннем всасывании, в том случае, если

492

заднюю сторону рабочего колеса снабдить вторым уплотнением, а в самом колесе сделать в непосредственной близости от втулки ряд отверстий (см. фиг. 296, 304, 315). Давление перед отверстиями будет выше давления на входе в колесо на величину сопротивления при протекании через эти отверстия и на величину, соответствующую повышению давления из-за отклонения направления течения в ра­ диальное; величина этого избыточного давления будет различной в зависимости от положения указанных отверстий, но может не учи­

тываться из-за ее малости. Разность давлений уменьшается с увеличе­ нием размера этих отверстий и с за­

нал в корпусе.

круглением их кромок на наружной поверхности покрывного диска (фиг. 296). Указанную разность давления учитывают и тем, что диа­ метры обоих уплотнений делаются несколько различными, а именно диаметр на задней стороне колеса делается несколько больше диа­ метра на входе.

Отверстия в стенках рабочего колеса могут быть заменены также обводными каналами, выполненными в теле отливки кожуха насоса (фиг. 297). В многоступенчатых насосах такое устройство заметно усложняет конструкцию [365].

Все описанные выше конструкции не могут обеспечить полное уравновешивание сил осевого давления, так как уплотнения не могут быть совершенно одинаковыми, даже при тщательном их изгото­ влении, а последующий различный износ создает еще большую разницу.

Поэтому нельзя избежать применения упорных подшипников. Для небольших одноступенчатых конструкций можно ограничиться применением простых заплечиков или установочных колец, но, как правило, необходимы тщательно сконструированные и хорошо выпол­ ненные упорные подшипники.

493

Однако можно отказаться от какой-либо осевой фиксаций вЗлф если к цилиндрическому уплотнению на обеих сторонах насоса при­ мыкают зазоры А и В, лежащие в одной плоскости, перпендикуляр­ ной оси (фиг. 298). В этом случае при смещении ротора, например, влево, названный радиальный зазор сужается на левой стороне и расширяется на правой стороне, вследствие чего возникает противо-

эффективно снизить осевое давление вырезами по периферии вто­ рого покрывного диска.

101. УРАВНОВЕШИВАНИЕ ОСЕВОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ ПОМОЩИ ОДНОГО ПРИСПОСОБЛЕНИЯ, ОБЩЕГО ДЛЯ ВСЕХ СТУПЕНЕЙ

Все описанные выше способы уравновешивания силы осевого давления (за исключением конструкции, изображенной на фиг. 298) требуют установки упорного подшипника, который должен выдер­ живать трудно поддающиеся расчету нагрузки и от которого в высо­ кой степени зависит надежность работы. Чтобы избежать примене­ ния упорных подшипников, в настоящее время у большинства много­ ступенчатых конструкций почти всегда применяют особые приспо­ собления для уравновешивания осевого давления; в случае подачи воды оно состоит из уравновешивающего диска, вращающегося вместе с валом рабочего колеса под полным давлением насоса; у компрес­ соров обычно используется конструкция, состоящая из уравновеши­ вающего поршня с лабиринтным уплотнением в сочетании с упорными подшипниками (см. фиг. 346, 357 и далее).

Казалось бы, что такой уравновешивающий поршень (диск) следует поместить непосредственно за последним рабочим колесом насоса со стороны нагнетания (фиг. 299) с переменным радиальным зазором на наружном диаметре. При этом вода под давлением, имеющимся за последним рабочим колесом, должна воздействовать на диск с силой, необходимой для уравновешивания.

494

Важно, однако, чтобы, кроме уплотненного зазора уравновешивающего диска, был предусмотрен еще другой дросселирующий узел, который был бы включен в каком-либо другом месте в поток утечек через зазоры. В случае, изображенном на фиг. 299, можно, например, такое место дополнительного дросселирования располо­ жить перед уравновешивающим диском, для чего следовало бы сде­ лать узкий и длинный кольцевой зазор В вдоль втулки дополни­ тельного диска, как показано пунктиром на фиг. 299. Конструктив­ ное выполнение такой схемы показано на фиг. 300. Если случайно

уплотнительной поверхности, то, хотя поток через неплотности возра­ стает, но вследствие воздействия второго места дросселирования бу­ дет снижаться давление на диск, пока не прекратится возникшее смещение колеса. Саморегулирование при очень коротком пути уста­ новления равновесия, в сочетании с приемлемыми потерями воды через зазоры, возможно, таким образом, только в результате воздей­ ствия второго места дросселирования.

Во всяком случае, при наличии такого приспособления уста­ новка упорного подшипника не только оказывается излишней, но даже была бы вредной. Особое преимущество состоит также в том, что сальники на напорной стороне насоса не требуется больше уплот­ нять против повышенного давления; необходимо, однако, учитывать дополнительные потери воды.

Поверхности в зазоре снабжаются уплотнительными кольцами, в которых часто применяется трение стали по бронзе. При выборе материала необходимо обратить особое внимание на электрохими-

495

йескйе процессы. В последнее время Стали делать уплотнительные кольца из пластмассы [366]. Необходимо обратить сугубое внима­ ние на опасность заедания вследствие наклонного их положения при прогибе вала.

На фиг. 300 показана конструкция фирмы Вайсе и сыновья, которая обладает постоянными основными и дополнительными зазо­ рами, т. е. цилиндрическим участком дросселирования (g,'f), и пере­ менными, т. е. радиальными участками дросселирования (k, s). Применение двух постоянных мест дросселирования уменьшает потери воды и позволяет применять большие зазоры. Но они увели­ чивают потребные для установления равновесия смещения в осевом направлении. Последний недостаток уменьшается благодаря при­ менению переменных зазоров на двух сторонах (k и s).

При наличии износа диска или упорной поверхности, очевидно, ротор будет смещаться на величину износа в сторону всасывающей стороны насоса. Такое смещение допустимо лишь настолько, чтобы ширина рабочего колеса на выходе находилась еще в пределах ширины направляющего аппарата. Целесообразно проверять вели­ чину износа по смещению отметки на валу относительно подшип­ ника.

Уравновешивающее приспособление располагается таким образом, чтобы оно было легко доступным, т. е. на конце насоса, противо­ положном стороне привода. Из-за этого муфта и электродвигатель располагаются на всасывающей стороне насоса.

В эксплуатации такие разгрузочные приспособления вполне отвечают предъявляемым к ним требованиям. Однако их нельзя применить при подаче сильно загрязненных жидкостей (с илом, шламом, песком и т. п.), так как поверхности зазора быстро изнаши­ ваются и эффективность работы приспособления быстро снижается. У насосов для горячей воды существует опасность образования пара в зазоре, вследствие чего износ возрастает. Эти приспособления оказались непригодными, когда давление может падать до нуля, например, у пожарных насосов, потому что осевое давление у много­ ступенчатых насосов при этом не исчезает. В передвижных насосах условия уравновешивания осевого давления значительно затруд­ нены, аналогично тому, как это наблюдается в насосе с вертикаль­ ным валом, так как при некоторых обстоятельствах насосам прихо­ дится работать с большим наклоном оси. Во всех этих случаях необходимо использовать ранее рассмотренные конструкции с нали­ чием специального упорного подшипника, но с меньшей дополни­ тельной потерей воды по сравнению с конструкциями с уравнове­ шивающим диском.

Часто применяют однокольцевые упорные подшипники с колод­ ками, которые могут воспринимать высокие давления и удовлетво­ ряют всем требованиям надежности работы. Их принцип действия основан на чистом использовании давления жидкости, как в случае уравновешивающего диска. Они почти не имеют износа и не вызывают потерь воды. Благодаря этому они находят применение в конструк­ циях больших лопастных насосов.

496

102. РАСЧЕТ УРАВНОВЕШИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Рассмотренные в предыдущем разделе уравновешивающие устрой­ ства действуют удовлетворительно только в том случае, если диаметр диска (поршня) сделан несколько большим, чем это необходимо для восприятия при полном напоре силы осевого давления i ступеней величиной iA. Вследствие увеличения диаметра величина выход­ ного зазора увеличивается, но при этом давление воды на диск уменьшается в отношении, обратном отношению поверхностей диска. Для того чтобы получить общее пред­

ставление о величине потерь воды Vu при различных диаметрах диска, рас­ смотрим уравновешивающее приспособ­ ление на фиг. 301, причем примем, что сечение втулки диаметром dn настолько мало по сравнению с поверхностью

В это уравнение D’ не входит, откуда заключаем, что величина диаметра диска и давления h не влияют на потери воды. Эти потери при заданном i А пропорциональны произведению ширины зазора Ь' и коэффициента расхода р'.

Поэтому для уменьшения потерь воды следует стремиться делать зазор как можно более узким, что делается автоматически, при наличии сильного дросселирования в кольцевом зазоре В. Однако в действительности наименьшая возможная ширина зазора Ь’ должна быть тем больше, чем больше диаметр диска, так как с увеличением

диаметра диска увеличивается опасность задевания диском корпуса при том же прогибе вала и в тех же неточностях обработки и сборки насоса. Конечная величина диаметра втулки d„ также вызывает то, что с увеличением диаметра диска D' происходит, правда незначи­ тельное, увеличение потерь. Поэтому целесообразно диаметр диска не делать большим, чем это необходимо; однако все же существенным является сделанный нами вывод о том, что в основном на потери влияют только размеры дополнительного зазора В.

Для того чтобы утечка воды была по возможности мала, вели­ чину зазора Ь' следует выбрать столь малой, сколь то допускается соображениями о надежной работе насоса. Поэтому при расчете уравновешивающих приспособлений надо задаться величинами D', L' и b и определить расчетом соответственные размеры дросселирую­

ром 2г2 превышает давление за диском на Н', то согласно уравне­

зазора.

При вычислении /г, по уравнению (12. 11) можно при большом числе ступеней в насосе принять И' равным напору Н насоса, умень­ шенному на величину манометрической высоты всасывания Hs, так как вода из зазора большей частью непосредственно вытекает наружу. Если же число ступеней равно двум или трем, то лучше пользоваться точным значением:

И' = (i-l)bH + Hp-Hs,

где И определяется по уравнению (12. 4) или (12. 4а).

Значения коэффициента расхода р.' и для зазоров без лаби­ ринтных канавок могут быть подсчитаны по уравнению (2. 70) раздела 15; для зазоров с лабиринтными канавками по уравне-

498

нительного зазора путем увеличения его длины, применения лаби­ ринтных пазов и т. п. Дросселирующее же действие внешнего зазора, напротив, рекомендуется по возможности усиливать приключением к нему цилиндрического уплотнения, как то, например, имеет место в конструкциях, изобра­ женных на фиг. 300. Если к радиальному уплотнению в этом случае примыкает еще одно с длиной L" и шириной Ь" (фиг. 302), то, совер­ шенно не меняя указанного выше хода расчета, следует лишь воспользоваться вместо уравне­

ния (12. 13) следующим ниже уравнением:

/1,5 + 0,02 ^ + 0,024: (II)2

Фиг. 302. Цилиндриче­ ское продолжение ра­ диального зазора.

Вследствие повышенных потерь, обусловленных неплотностями при наличии уравновешивающего диска при большой высоте на­ пора, снова возвращаются к симметричному расположению колес

(см. фиг. 278).

103.УРАВНОВЕШИВАНИЕ ОСЕВОГО ДАВЛЕНИЯ У НАСОСОВ

СВЕРТИКАЛЬНЫМ валом

Вэтом случае сила осевого давления увеличивается на величину веса ротора.' Поскольку вращающиеся части находятся в воде, необходимо учесть соответственное уменьшение их веса' Далее следует отметить, что при остановке насоса уравновешивающая сила, созданная описанным выше разгрузочным приспособлением, пере­ стает действовать еще до полной остановки насоса, и тем самым вес ротора приводит к его опусканию. Если для насоса с вертикальным валом принята нормальная схема, т. е. вода протекает через насос снизу вверх, то описанные выше уравновешивающие приспособ­ ления неприменимы, так как при опускании диск коснулся бы кожуха. Добавление еще упорного подшипника, который воспринимал бы только усилия, направленные вниз, оказывается в связи с неизбеж­ ным изнашиванием подшипника чрезвычайно затруднительным из-за малости зазора уравновешивающего диска и из-за трудности уста­ новки. Правда, исключение составляют конструкции, приведенные на фиг. 300 и 302, у которых зазор уравновешивающего приспособ­ ления имеет цилиндрическую форму, потому что здесь переменный зазор можно сделать достаточно широким. Так как, однако, и при этом упорный подшипник необходим, то в насосах с вертикальным валом применяется преимущественно частичное уравновешивание,

описанное в разделе 100.

При этом можно также уравновесить и веса, например, выпол­ нив зазоры уплотнений с обеих сторон колеса различных размеров

500