3 Расчёт отводящего устройства

3.1 Выбор типа отводящего устройства.

Назначение отводящего устройства центробежного насоса состоит в том, чтобы собрать жидкость, выходящую из каналов рабочего колеса, и отвести её к выходному патрубку насоса. При этом отводящие устройства должны

-обеспечить осесимметричность потока жидкости за рабочим колесом и тем самым создать условия для установившегося относительного движения жидкости в рабочем колесе;

-преобразовать кинетическую энергию потока, выходящего из рабочего колеса, в энергию давления.

В отводящих устройствах центробежных насосов в потенциальную энергию давления преобразуется около 30% энергии, сообщаемой жидкости в рабочем колесе. Поэтому их гидравлическое совершенство существенно сказывается на к.п.д. насоса.

В центробежных насосах применяются отводящие устройства двух типов: спиральные отводы и направляющие аппараты (лопаточные отводы).

Различие между ними состоит в конструктивном исполнении и технологии изготовления. С точки зрения гидравлики спиральному отводу можно придать более совершенную обтекаемую форму, но каналы его недоступны механической обработке, поэтому форма, размеры и чистота их поверхности должны обеспечиваться непосредственно в отливке.

Каналы направляющих аппаратов имеют в поперечном сечении прямоугольную форму, принципиально менее благоприятную в гидравлическом отношении, но пригодную для механической обработки. Поскольку при небольших абсолютных размерах каналов чистота поверхности и отклонение от теоретической формы существенно сказываются на гидравлических свойствах каналов, то в конечном итоге механически обрабатываемые лопаточные отводы обеспечивают лучшие гидравлические качества.

Однако, спиральные отводы значительно проще по конструкции и дешевле в изготовлении. Поэтому целесообразность применения спирального или лопаточного отвода в первую очередь зависит от совершенства технологии литья. Спиральные отводы имеют лучшие конструктивные и технико-экономические показатели в одно- двухступенчатых насосах, тогда как лопаточные отводы, благодаря более высоким гидравлическим качествам и значительно меньшим размерам, получили преимущественное распространение в многоступенчатых высоконапорных насосах. В последнее время, в связи с совершенствованием технологии литейного производства, спиральные отводы стали применять и в многоступенчатых насосах, однако в этом случае сильно увеличиваются габариты насоса.

3.2 Расчёт спирального отвода произвольного сечения.

Поперечное сечение спирального канала может иметь различную форму. Оно может быть круглым (рис.3.1а), очерченным по дуге круга и двум прямым, касательным к дуге и образующим в пересечении угол 20÷30 (рис.3.1б) и в виде сектора со скруглёнными углами (рис.3.1в).

Результаты исследований, выполненных на кафедре ССУ СПИ свидетельствуют о том, что поперечные габариты судовых центробежных насосов могут быть значительно уменьшены путём использования спиральных отводов с сечениями овальной формы, развитыми в осевом направлении и простирающимися за диски рабочих колёс (рис.3.1г). Методика расчёта спиральных отводов с круглым сечением подробно изложена в работах [3] и [6]. В данном пособии приводится лишь методика расчёта спирального отвода произвольного сечения (рис.3.1в).

Наиболее широко применяется в расчётной практике графоаналитический метод расчёта и построения сечений спирального отвода. Начинают расчёт с выбора начального диаметра D₃ и начальной ширины b₃ спирали. Для определения этих параметров рекомендуется пользоваться соотношениями

D₃=(1,03÷1,08)·D₂ , b₃=b₂+(0,03÷0,05)·D₂ ,

Если насос проектируют с низким уровнем шума и вибрации, то рекомендуется принимать

D₃ = (1,06÷1,08)·D₂ ,

Затем задаются формой поперечного сечения спирального канала, обычно его принимают в виде трапеции с одинаковым для всех сечений или плавно возрастающим в зависимости от угла установки сечения углом раскрытия боковых стенок, который принимают в пределах =30÷40. Внутренний контур спирального отвода строится по восьми сечениям через 45. Поэтому конечная цель расчёта спирального канала состоит в том, чтобы найти радиусы канала в этих восьми сечениях, т.е. R₄₅ , R₉₀ и т.д. до R₃₆₀ , который соответствует сечению, пропускная способность которого равна заданной производительности колеса Q₃₆₀ .Для того чтобы вычислить указанные радиусы, необходимо построить кривую пропускной способности сечений, образуемых цилиндрическими поверхностями радиуса R_i и боковыми стенками спирального отвода. Пропускную способность, считая, что момент скорости жидкости в канале колеса величина постоянная, т.е. C_uR=const , рассчитывают по уравнению

Интегрирование выполняют приближенно в табличной форме.

Рис. 11. Типы сечений спиральных отводов.

Рисунок 3.2- Схема спирального отвода

Подинтегральную Функцию обозначают ,

Расход жидкости через площадку сечения будет

,

Расход жидкости через всё сечение, если оно разделено на n площадок

,

где - постоянная равная ,

Расчёт сводят в таблицу формы 4. Приращением радиуса задаются, принимая R=5÷10 мм.

Проводят горизонтальную линию, условно соответствующую цилиндрической поверхности радиуса R₃, и откладывают на ней отрезок длиной b₃ . Через концы отрезка b₃ проводят боковые стенки канала под выбранным углом  (рис.3.2). Затем на расстоянии R друг от друга проводят ряд горизонтальных линий, которые соответствуют цилиндрическим поверхностям радиуса R_i . Затем для каждого радиуса R_i снимают с чертежа и записывают в таблицу соответствующие значения ширины канала b_i . В последней графе таблицы все приращения расхода Q_i суммируются нарастающим итогом до тех пор, пока не будет получено первое значение Q_i=Q₃₆₀ . На этом расчёт прекращается и по данным таблицы строится кривая пропускной способности сечений спирали (рис. 3.2), для чего по оси ординат откладывают радиусы R_i , а по оси абсцисс соответствующие им значения расхода Q_i .

На полученной кривой откладывают заданный расход Q₃₆₀ и делят по оси абсцисс на 8 равных частей, получая таким образом расходы в сечениях через 45, т.е. Q₄₅ , Q₉₀ и т.д. Восстанавливая из точек на оси абсцисс, соответствующих расходам Q₄₅ , Q₉₀......Q₃₁₅ , перпендикуляры до кривой расхода, на оси ординат получают радиусы в расчётных сечениях Q₄₅ , Q₉₀......Q₃₁₅.

Чтобы определить радиус последнего сечения улитки R₃₆₀ , нужно учесть толщину языка спирали _Я .

Для этого надо отложить _Я на оси ординат, провести горизонталь до линии расходов и из точки пересечения опустить перпендикуляр на ось абсцисс. От полученной на оси абсцисс точки, как от нуля, откладывается расход Q₃₆₀ , восстанавливается перпендикуляр до пересечения с кривой расхода, а затем проводится горизонталь до оси ординат. Полученное значение радиуса и будет искомым R₃₆₀ .

Полученный таким образом контур сечения спирального канала имеет острые углы, что вызывает дополнительные гидравлические потери и концентрацию местных напряжений в стенках спирали. Поэтому острые углы сечений округляют, соблюдая равенство расходов через отбрасываемые и добавляемые площади. Для этого должно соблюдаться соотношение

,

где r_a и r_b - соответственно радиусы центра тяжести площадок f_a и f_b (рис.13).

Спиральный отвод заканчивается диффузором, который соединяет его с напорным трубопроводом или переводным каналом в многоступенчатых насосах. В диффузоре скорость жидкости уменьшается и при этом кинетическая энергия потока преобразуется в потенциальную. Чтобы исключить отрыв потока от стенок диффузора, угол раскрытия его принимают в пределах 512. Если сечение диффузора не круглое, то изменение площади поперечного сечения по длине принимается таким же, как и для диффузора круглого сечения с прямолинейной осью. Угол раскрытия диффузора  определяют формулой

где D_вых - диаметр на выходе из диффузора;

D_экв - диаметр окружности эквивалентной площади сечения спирали на входе;

L - длина диффузора.

Переход от сечения спирали к круглому сечению на выходе из диффузора осуществляется постепенно. Длина диффузора и диаметр его выходного сечения зависят от скорости в напорном трубопроводе или в переводном канале, которая обычно равна 2,5-4 м/сек

Рисунок 3.3-К определению пропускной способности спирального канала