УДК 621.65: 532.529
Турбомашинах для перекачування газорідинної суміші
Євтушенко А. А. канд. техн. наук, доц .; Колісниченко Е. В. асп .; Сапожников С. В. канд. техн. наук
Сумський державний університет
Проблема перекачування газорідинних сумішей (ГЖС) виникла давно і є важливою для багатьох галузей промисловості. Свої підходи до її вирішення шукають як фахівці в області компресоробудування [1], так і фахівці в області насособудування [2]. У даній статті ми зупинимося на стані цього питання в області насособудування, базуючись на досвіді кафедри прикладної гідроаеромеханіки (ПГМ) Сумського державного університету
(СумДУ).
У складі сучасних гідравлічних мереж найбільш використовуваним є насосне обладнання гідродинамічного принципу дії. Якщо користуватися загальноприйнятою [3] для лопатевих насосів величиною коефіцієнта швидкохідності (ns) їх проточної частини, то це область параметрів з 35 £ ns £ 1200. Відомо, що максимальний ККД лопатевих насосів досягнутий при n s »150, тоді як при ns = 35 він приблизно дорівнює h» 35-40%. Область особливо малих ns є традиційно областю параметрів насосів об'ємного типу. Однак висока їх вартість, а також низька надійність в роботі в цілому, а на гідросуміші, зокрема, частіше за все не влаштовує експлуатують їх організації.
У порівнянні з насосами об'ємного типу лопатеві насоси в разі перекачування ГЖС цих недоліків позбавлені, але мають ряд своїх, в тому числі низький ККД і зрив параметрів при надмірному газосодержания в перекачується середовищі.
Проблема зриву параметрів є актуальною для всіх лопатевих насосів. За зовнішніми проявами дана особливість ідентична більш дослідженому явищу - кавітаційного зриву параметрів насоса. Розглянутий зрив параметрів призводить до повної втрати працездатності гідравлічної мережі, що найчастіше тягне за собою економічні збитки, істотно перевищують вартість використовуваного в її складі насосного обладнання.
Для запобігання випадків втрати працездатності гідравлічних мереж, що працюють на газорідинних сумішах, як правило, використовується спеціальне насосне обладнання, оснащене додатковими конструктивними вузлами [4]. Його застосування дозволяє виключити зазначені випадки втрати працездатності, але одночасно веде до підвищення собівартості та зниження надійності в роботі таких мереж.
Перекачування ГЖС вимагає широкого діапазону зміни напорів і подач використовуваного насосного обладнання, відповідно існує потреба в насосах з різними значеннями коефіцієнта швидкохідності. Беручи до уваги необхідність забезпечення хоча б відносно високого рівня їх ККД, виникає питання про використання насосів для заданих умов роботи з різними конструктивним виконанням їх проточної частини.
Характеристики даних насосів при різному расходном газосодержания b були отримані в результаті зняття приватних характеристик на робочому інтервалі при подачах 0,6Q0, 0,7Q0, 0,85Q0, Q0, 1,1Q0. Кількість впущених повітря збільшувалася до припинення подачі насоса (досягнення величини витратного критичного газосодержания). Для оцінки впливу газу на характеристику насоса використовувалися співвідношення безрозмірних коефіцієнтів напору (y), подачі (j), потужності (m) і ККД (h) до безрозмірних коефіцієнтів цих параметрів в точці максимального ККД, отриманим при роботі насоса на чистій рідині.
Безрозмірні коефіцієнти напору, подачі, потужності і ККД в оптимальному режимі для даних насосів при їх роботі на чистій рідині представлені в таблиці.
Зміна параметрів даних насосів в оптимальній точці в залежності від газосодержания показано на рис. 1-3.
Ріунок. 1 - Зміна параметрів СВН типу «Turo» в оптимальному режимі при зміні газосодержания
Малюнок 2 - Зміна параметрів ЦБ насоса з дволопатеве РК в оптимальному режимі при зміні газосодержания
Малюнок 3 - Зміна параметрів ЦБ насоса з однолопастний РК в оптимальному режимі при зміні газосодержания
З малюнків видно, що максимальна величина критичного об'ємного газосодержания для СВН типу «Turo» становить bкр = 0,45,
ЦБ насоса з дволопатеве РК - bкр = 0,32, ЦБ насоса з однолопастний РК досягає значення bкр = 0,5.
При подальшому збільшенні кількості газової фази в суміші параметри насосів падають. Це можна пояснити тим, що поряд зі зменшенням щільності перекачується газорідинної суміші в міру збільшення кількості в ній газу відбувається зміна структури суміші. В даний час прийнято вважати, що все розмаїття структур газорідинних сумішей може бути зведене до чотирьох основних груп (рис. 4):
а) бульбашкової течія - газова фаза у вигляді окремих бульбашок різної величини і форми рівномірно розподілена в середовищі рідини (рис. 4 а), яка є дисперсійним середовищем;
б) коркове (четочная) або снарядним течія - частина газових бульбашок зливається і займає майже весь поперечний переріз труби, що утворилися великі бульбашки мають характерну снарядоподібної форму і слідують по трубопроводу один за одним, розділені шаром рідини або газорідинної сумішшю (рис. 4б);
в) кільцеве (осьовий) протягом (стрижневий режим) - на стінках трубопроводу є рухомий шар рідини або плівка, в центрі трубопроводу рухається газовий потік (рис. 4в);
г) дисперсне протягом (режим туману) - все перетин труби зайнято газовим потоком зі зваженими в ньому крапельками рідини (рис. 4 г).
Зазначені режими в даному разі є ідеалізованими, і в чистому вигляді отримати їх дуже важко. На практиці найбільш часто зустрічаються так звані перехідні режими: бульбашково-снарядний, снарядні-кільцевої і т. П. Перехід з одного режиму до іншого відбувається, як правило, у міру збільшення об'ємної витрати газової фази [10].
Завдяки проведеній візуалізації робочого процесу в СВН типу «Turo» було встановлено, що зростання параметрів насосів відбувається на початкових режимах течії ГЖС, т. Е. Коли спостерігається бульбашкової протягом, а також на початковій стадії бульбашково-снарядного.
У міру збільшення газової фази в суміші відбувається перехід до снарядному течією. В цьому випадку відбувається зростання газових бульбашок, що веде до зменшення вихідного перетину насоса, а значить, і до падіння його параметрів.
При подальшому збільшенні кількості газу в ГЖС відбувається перехід до кільцевому режиму течії, що веде до замикання збільшується повітряним міхуром вихідного каналу СВН типу «Turo», т. Е. Відбувається припинення подачі насоса - явище зриву параметрів.
Так як в ході досліджень роботи відцентрового насоса з одне - і дволопатевими робочими колесами спосіб візуалізації робочого процесу не використовувався, тому місце, де в цьому випадку відбувається замикання газовим міхуром, залишається невизначеним.
На підставі поданої роботи можна зробити наступні висновки:
1) найменш досліджений в області перекачування насосним обладнанням газорідинних сумішей діапазон швидкохідності - 60 £ ns £ 300;
2) встановлено, що заповнити цей діапазон можна застосуванням таких насосів, як СВН типу «Turo» (60 £ n s £ 130), а також відцентрових насосів з малим числом лопатей (130 £ n s £ 300);
3) визначена максимальна величина критичного об'ємного газосодержания таких насосів: для СВН типу «Turo» вона дорівнює bкр = 0,45, ЦБ насоса з дволопатеве РК - bкр = 0,32, ЦБ насоса з однолопастний РК - bкр = 0,5;
4) встановлені три стадії роботи СВН типу «Turo» на ГЖС:
а) початкова - відбувається зростання параметрів насоса в порівнянні з чистим рідиною, що пояснюється падінням щільності суміші;
б) падіння параметрів виникає через зміни структури потоку, а також збільшення розмірів газових бульбашок, внаслідок чого відбувається зменшення прохідного перетину насоса;
в) припинення подачі виникає в результаті замикання вихідного перетину СВН типу «Turo» зростаючим газовим міхуром;
5) для з'ясування перетину, де саме відбувається процес замикання в відцентровому насосі з одне - і дволопатевими робочими колесами, існує потреба в візуалізації робочого процесу даного насоса.
The article justifies the selection of free-vortex pumps of «Turo» type, as well as centrifugal pumps with low number of blades, in order to study their operation at gas-liquid mixtures. The results of research of these pumps are presented.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Григор'єв мокровоздушного вакуум-насоса типу рутс // Підвищення технічного рівня, надійності і довговічності компресорів і компресорних установок // Тез. доп. VII Всесоюзну. наук.-техн. конф. - Казань, 1985. - 142 с.
2. Перекачування газорідинних сумішей динамічними насосами
// Праці II Респуб. наук.-техн. конф. "Гідроаеромеханіка в інженерній практике". - Черкаси: ЧІТІС. 81-86.
3. Малюшенко насоси. Теорія, розрахунок і конструювання. - М. Машинобудування, 1977. - 288 с.
4. Караханьян насоси для перекачування неабразивних речовин, волокнистих мас і газонасичених суспензій // Якість і ефективність насосного обладнання // Праці ВНДІ Гідромаш, 1984. - С. 3-16.
5. Kikuyama K, Minemura K. and other. Effects of entrained air upon a vortex pump performance. - Proc. 8th Conf. Fluid Mach. Vol. 1, Budapest, - 1987. - P. 358-365.
8. Колісніченко двухфазного газорідинного потоку
на характеристику відцентрового насоса з малим числом лопатей // Зб. наук. праць. - Харків: Ін-т проблем машинобудування ім. НАН України- Т. 2. - С. 539-542.
9. Murakami M. and other. Effects of Entrained Air on the Performance of Centrifugal Pumps Under Cavitating Conditions. - Bulletin of the JSME. Vol. 23, № 000 - 1986. -
Р.