ОДНОЛОПАСТНОЕ ОСЕВОЕ ПРЕДВКЛЮЧЕННОЕ КОЛЕСО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Алексенский В.А.¹, Жарковский А.А.², Пугачев П.В.³

¹Кандидат технических наук, ОАО “Пролетарский завод”; ²доктор технических наук, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет; ³кандидат технических наук, ассистент, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

ОДНОЛОПАСТНОЕ ОСЕВОЕ ПРЕДВКЛЮЧЕННОЕ КОЛЕСО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Аннотация

В статье рассмотрены этапы развития кавитации в предвключенных осевых колесах при уменьшении величины кавитационного запаса. Объясняются преимущества использования однолопастного осевого предвключенного колеса для обеспечения максимальных антикавитационных качеств.

Ключевые слова: кавитация, однолопастное предвключенное колесо

Aleksensky V.A.¹, Zharkovsky A.A.², Pugachev P.V.³

¹PhD of technical sciences, JSC “Proletarsky zavod”; ²grand doctor of technical science, St. Petersburg State Polytechnical University; ³ PhD of technical sciences, assistant, St. Petersburg State Polytechnical University

SINGLE-BLADE AXIAL INDUCER FOR CENTRIFUGAL PUMPS

Abstract

The article deals with the stages of development of cavitation in the axial inducers with decreasing value of NPSH. It explains the advantages of using single-blade axial inducers for achieving maximum anti-cavitation characteristics.

Keywords: cavitation, single-blade inducer

При работе предвключенного осевого колеса (ПК) с кавитационным запасом Δh, не обеспечивающим полное отсутствие кавитации, протяженность кавитационных каверн превышает область разрежения соответствующую данному значению Δh при бескавитационном обтекании (рис. 1). Это объясняется тем, что развитие кавитации сопровождается образованием кавитационных каверн, размеры которых увеличиваются с уменьшением величины кавитационного запаса, стесняя тем самым поток жидкости. Что приводит к увеличению скоростей в проточной части, а значит к дополнительному снижению давления.

Рис. 1. Распределение давления вокруг профиля лопасти предвключенного осевого колеса при отсутствии и наличии кавитации

При достижении каверной сечения канала ПК между рабочей и тыльной сторонами лопасти происходит понижение давления  у рабочей стороны (рис. 2). В момент, когда давление на рабочей стороне лопасти понижается до величины давления парообразования, входная часть стороны давления лопасти захватывается областью кавитации. Именно в этот момент по результатам расчетов с двухфазной моделью кавитации фиксируется резкое снижение напора и КПД предвключенного осевого колеса  [1]. 

Рис. 2. Кавитация в сечении ПК при различных значениях кавитационного запаса

На режимах малых подач в периферийной зоне на входе в ПК возникает область противотока, которая занимает часть сечения и  обеспечивает практически безударный вход активного потока. Это приводит к тому, что средние скорости активного потока на входе ПК практически не меняются при изменении подачи.

Экспериментально установлено, что при развитии кавитации в ПК область противотока уменьшается вследствие загромождения проходного сечения кавитационными кавернами.

Результаты расчетов течения в ПК с использованием двухфазной модели кавитации Ansys CFX12 подтверждают данный факт. В момент непосредственно перед полным срывом напора ПК область противотока отсутствует.

Увеличение относительных скоростей в каналах и меридианных скоростей на входе в ПК происходит при отсутствии противотока.

На основании сказанного момент резкого падения напора предвключенного колеса определяется двумя условиями: площадь кавитационной каверны должна превышать площадь противотока при бескавитационном обтекании и кинетическая энергия активного потока на входе в ПК с учетом стеснения потока кавитационной каверной равна значению кавитационного запаса:

F_К1>F_П ;                                                          (1)

,                                            (2)

где V_{M_СР} – среднее значение меридианных скоростей активного потока на входе в ПК с учетом загромождения проходного сечения кавитационными кавернами.

На режимах работы ПК  меньше 50% от расчетной, как правило, при выполнении условия (2), еще остается запас по наличию противотока, и условие (1) не выполняется. При этом скорости активного потока на входе в ПК могут незначительно уменьшиться, что дает некоторый запас по моменту полного срыва напора, однако, работа ПК при этом будет неустойчивой.

Исходя из проведенного анализа, следует, что лучшими антикавитационными качествами будет обладать ПК, в котором обеспечены минимальные пики разрежения на входе в ПК, а значит и меньшие поперечные размеры кавитационных каверн при различных значениях кавитационного запаса. Помимо этого, для достижения максимальных антикавитационных качеств ПК необходимо обеспечить вид эпюр давлений вокруг его лопастей, исключающий провалы на стороне давления и разрежения. Чем интенсивнее будет рост давления на стороне разрежения лопасти ПК от входа к выходу, тем раньше будет схлопываться кавитационная каверна, и, следовательно, достигать стороны давления следующей лопасти при меньших значениях кавитационного запаса.

На основании изложенного можно определить оптимальную геометрию предвключенного осевого колеса с целью обеспечения максимальных антикавитационных качеств на всех режимах его работы.

На режимах малых подач определяющим параметром с точки зрения момента полного срыва работы ПК является средняя меридианная скорость активного потока. Минимальные значения кавитационного запаса могут быть достигнуты за счет увеличения диаметра ПК при уменьшении углов лопастей на входе. Однако, увеличение наружного диаметра ПК приводит к повышению относительных скоростей в его периферийном сечении и к повышению среднеинтегрального значения относительных скоростей на входе ПК, что негативно сказывается на величине пиков разрежения у входной кромки. Данное влияние сильнее сказывается на режимах работы ПК близких к расчетному (безударному), т.к. при больших относительных скоростях в ПК стеснение потока будет приводить к большему снижению давления.

Выполнение условия 2 является необходимым для работы ПК на всех режимах работы ПК, но не достаточным для работы на режимах близких к расчетному, когда нет запаса по наличию противотока на входе ПК, и кавитационные каверны стесняют основной поток жидкости.

На расчетном режиме работы ПК можно обеспечить динамическое падение давления соответствующее кавитационному коэффициенту быстроходности C_КР≈3000. При незначительном уменьшении кавитационного запаса стеснение потока кавитационными кавернами происходит очень резко и они достигают рабочих поверхностей соседних лопастей.

Замедлить данный процесс можно увеличением наружного диаметра ПК от входа к выходу, что позволит получить более интенсивное повышение давления по тыльной стороне лопасти. Однако самым существенным фактором является непосредственное расстояние между тыльной и рабочей поверхностями соседних лопастей друг от друга. Очевидно, что наибольшим оно будет при количестве лопастей ПК Z_ПК=1. При этом кавитационная каверна, чтобы достичь стороны давления лопасти, должна будет иметь протяженность по углу охвата почти в 360°.

Еще одним положительным фактором является то, что при равных поперечных размерах кавитационной каверны в ПК с 1, 2 или 3 лопастями меньшее стеснение потока будет происходить в ПК с одной лопастью.

Для обеспечения безотрывного течения в ПК на расчетном режиме необходимо применять переменное втулочное отношение.

На кафедре “Турбины, гидромашины и авиационные двигатели” СПбГПУ было спроектировано несколько вариантов предвключенных осевых колес с Z_ПК=1 с различными наружными диаметрами, с переменным и постоянным наружными диаметрами. Трехмерная модель одного из вариантов ПК представлен на рис. 3.

Вопросы балансировки такого ПК решаются выполнением сверлений во втулке.

Рис. 3. Однолопастное предвключенное осевое колесо

По результатам расчетов  с использованием двухфазной модели кавитации Ansys CFX 12 было получено, что можно достичь значения кавитационного коэффициента быстроходности на расчетном режиме свыше C_3%>4500 для шнеко-центробежной ступени. При этом, значение гидравлического КПД ПК на режимах работы (0,8÷1,0)Q_Р  меняется в пределах 85÷94% для вариантов с различными наружными диаметрами.

На режимах меньших подач расчетное значение кавитационного запаса получается еще меньше, чем для расчетного значения.

Расчет течения выполнялся совместно с центробежным рабочим колесом без выполнения осреднения параметров потока за предвключенным колесом на поверхности интерфейса. По результатам расчета не осредненного течения было обнаружено, что несмотря на то, что ПК имело одну лопасть, давление перед центробежным РК практически выравнивается.

Расчетные кавитационные характеристики одного из вариантов ПК приведены на рис. 4 ÷7.

Так как расчет выполнялся для полных областей ПК и РК параметры расчетных сеток были несколько хуже оптимальных, что привело к некоторому снижению расчетного значения КПД ступени (~2÷3%).

Расчетное значение кавитационного коэффициента быстроходности в диапазоне работы Q=(0,8÷1,0)Q_НОМ для представленных характеристик составляет С_КР=5100÷4500 при гидравлическом КПД ПК >80%.

В настоящее время прорабатывается вопрос проведения испытаний спроектированных ПК.

Рис. 4. Расчетная частная кавитационная характеристика 1 лопастного ПК на режиме Q=3000 м³/ч

Рис. 5. Расчетная частная кавитационная характеристика 1 лопастного ПК и РК на режиме Q=3000 м³/ч

Рис. 6. Расчетная частная кавитационная характеристика 1 лопастного ПК на режиме Q=2500 м³/ч

Рис. 7. Расчетная частная кавитационная характеристика 1 лопастного ПК и РК на режиме Q=2500 м³/ч