Теплообменные аппараты ТТАИ
Сочетают в себе преимущества кожухотрубных и пластинчатых теплообменников без их недостатков.
РосТепло.ru - Информационная система по теплоснабжению
РосТепло.ру - всё о теплоснабжении в России

О расширении диапазона эффективной работы щелевых уплотнений в центробежных насосах

К.т.н. А.В. Ильинков, доцент;
д.т.н. А.В. Щукин, профессор;
к.т.н. В.В. Такмовцев, доцент;
В.В. Титов, аспирант;
И.И.Хабибуллин, аспирант,
КНИТУ-КАИ, г. Казань

Эффективность работы центробежных насосов, которые используются для транспортировки жидкостей по трубопроводам, характеризуется объемным КПД η0. В современных насосах он находится в пределах η0=0,96-0,98. Высокий уровень давления жидкости за рабочим колесом и возникающий при этом значительный перепад давления рабочего тела между выходным и входным сечениями рабочего колеса насоса требует эффективной работы уплотнений для снижения расхода перетекающей жидкости через радиальные и осевые зазоры.

Используемые для этой цели манжетные уплотнения благодаря возникновению насосного эффекта при вращении вала насоса возвращают просочившуюся жидкость обратно во внутреннюю полость насоса. Однако радиальные манжетные уплотнения значительно снижают свой ресурс в условиях высоких и низких температур, а также подвержены механическому стеклованию при высоких частотах вращения ротора насоса. Поэтому в настоящее время для уплотнения радиальных зазоров в центробежных насосах обычно используют щелевые, лабиринтные или плавающие уплотнения. Тем не менее продолжается поиск недорогих и технологичных уплотнений, которые позволили бы увеличить ресурс центробежных насосов и обеспечить их эффективную работу на нерасчетных режимах их эксплуатации.

В данной статье приводятся результаты сравнительного экспериментального исследования щелевого уплотнения на входе в рабочее колесо натурного водяного центробежного насоса (рис. 1). Щелевое уплотнение образовано корпусом насоса и осевым входным участком покрывного диска рабочего колеса, которое выполнялось в двух вариантах: со сферическими выемками (рис. 1а) на осевом входном участке покрывного диска и с гладкой поверхностью (рис. 1б).

По данным, приведенным в монографии [1], в плоских щелевых каналах со сферическими выемками отрывного типа (относительная глубина выемок h/d > 0,1-0,2) выходящие из выемки крупномасштабные вихревые структуры присоединяются к противоположной стенке канала, если относительная высота канала H/d не превышает значения 0,33 (рис. 2а). Очевидно, что такое присоединение характеризуется дополнительным повышением гидравлического сопротивления канала за счет загромождения проточной части вихревыми структурами, что является положительным фактором для исследуемых нами условий повышения эффективности уплотнения радиальных зазоров в центробежных насосах.

Отметим, что физическая модель исследуемого течения рабочего тела в узком щелевом зазоре отличается от многочисленных публикаций двумя особенностями. Во-первых, в исследуемом нами случае зазор в канале δΓ образуется (рис. 2б) одной подвижной и другой неподвижной стенками. Очевидно, что вращающаяся внутренняя стенка кольцевого канала (осевой входной участок покрывного диска рабочего колеса) может изменить в канале условия присоединения крупномасштабных вихревых структур к противоположной стенке, поскольку в этом случае профиль продольной скорости существенно отличается от течения в канале между неподвижными стенками. Поэтому механизм присоединения крупномасштабных вихревых структур к противоположной стенке канала и их взаимодействие с потоком в щелевом канале при вращении внутренней стенки не могут быть спрогнозированы на основе результатов, полученных в каналах с обеими неподвижными стенками.

Во-вторых, центробежные массовые силы, возникающие в условиях вращения рабочего колеса насоса, способствуют оттеснению к корпусу насоса образующиеся в выемках вихревые структуры, меняют условия их самоорганизации и характер распределения кинетической энергии потока по высоте канала.

Обе названные особенности течения жидкости в радиальном зазоре центробежного насоса на первом этапе могут быть исследованы в условиях вращения натурного колеса центробежного насоса для оценки суммарного уплотняющего эффекта. А детальное исследование этих процессов будет проведено на моделях. В частности, необходимо определить диапазон значений относительной высоты радиального зазора Н/d, в пределах которого существует дополнительный уплотняющий эффект.

На первом этапе необходимо было определить принципиальную возможность получения положительного эффекта от использования сферических выемок для уплотнения радиального зазора в центробежном насосе.

Сравнительные испытания проводились на серийном центробежном насосе марки КМ20/30-С-У2, находящемся в эксплуатации. За насосом в водяной магистрали были установлены регулировочный вентиль и расходомер. Давление воды во входном и выходном сечениях насоса измерялось образцовыми манометрами. Гидравлический контур был закольцован на накопительный бак с водой.

На рис. 3 показана фотография осевого входного участка покрывного диска рабочего колеса центробежного насоса с выполненными в шахматном порядке сферическими выемками с относительной глубиной h/d = 0,35. Плотность их расположения на поверхности осевого входного участка f=0,4 (см. рис. 2а). Кромки выемок не скруглялись.

Расход воды измерялся электромагнитным расходомером «Взлет». Давление на входе и на выходе из насоса регистрировалось образцовыми манометрами. Для измерения частоты вращения ротора использовался тахометр ИО-10.

Опыты проводились в два этапа: сначала использовался гладкий вариант осевого входного участка покрывного диска рабочего колеса насоса. Потом на поверхности входного участка выполнялись сферические выемки, и эксперименты повторялись.

Результаты проведенных сравнительных экспериментов показаны на рис. 4. Здесь темные значки соответствуют гладкой поверхности осевого входного участка покрывного диска рабочего колеса, а светлые - со сферическими выемками; треугольными значками обозначены данные для номинального режима (n=3000 об./мин.); круглыми - n=3700 об./мин., а квадратными - n=4300 об./мин.

Из сравнения полученных кривых, аппроксимирующих опытные точки, следует, что переднее щелевое уплотнение центробежного насоса на расчетном режиме работы обеспечивает заданный напор и не требует повышения его эффективности.

Однако в процессе эксплуатации насоса может возникнуть необходимость в обеспечении длительной работы имеющегося насоса на повышенных напорах. В этом случае представляют интерес результаты сравнительных исследований напорных характеристик насоса при форсированных по напору режимах. Как следует из рис. 3, при значениях частоты вращения ротора насоса, превышающих номинальные (n=3700 об./мин. и n=4300 об./мин.), линии, описывающие опытные точки, расслаиваются. Получено, что наличие выемок на осевом входном участке покрывного диска рабочего колеса позволяет увеличить напор насоса на 5-6% за счет повышения эффективности работы переднего щелевого уплотнения.

На данный способ уплотнения радиального зазора центробежного насоса получено положительное решение на выдачу патента [2].

Отсюда следует, что нанесение сферических выемок отрывного типа на цилиндрическую поверхность осевого входного участка покрывного диска рабочего колеса центробежного насоса может снизить потери на перетекание жидкости в щелевом уплотнении и улучшить его напорные характеристики.

С целью дальнейшего повышения эффективности уплотнений щелевых зазоров в центробежном насосе авторы предлагают использовать для нанесения на вращающуюся поверхность щелевых уплотнений выемки, схема которых представлена на рис. 5. Выполненные нами визуализационные эксперименты показали, что форма ее обводов способствует генерации более интенсивных самоорганизующихся крупномасштабных вихревых структур (положительное решение на выдачу патента [3]).

Активизация этих вихревых структур по сравнению с традиционной сферической выемкой отрывного типа обусловлена двумя причинами. Во-первых, передний обвод предлагаемой схемы выемки содержит носик-разделитель потоков. Он создает условия для образования одновременно двух устойчивых крупномасштабных вихревых структур. Эти структуры функционируют непрерывно во времени, в отличие от традиционной сферической выемки, в которой возникает дискретный вихрь в придонной полости поочередно то слева, то справа от ее продольной плоскости симметрии.

Во-вторых, диффузорный характер возвратного течения в выемке предложенной схемы, обусловленный расширением ее проточной части боковыми и нижним обводами, способствует дополнительной неустойчивости этого течения и увеличению мощности образующихся крупномасштабных вихревых структур. Так, сравнительные визуализационные эксперименты с использованием речного песка показали, что насыпанный в двухполостную выемку песок удалялся из нее значительно быстрее, чем из полости традиционной сферической выемки с такой же площадью омываемой поверхности.

Оба обнаруженных фактора позволяют рассчитывать на дополнительное уплотняющее воздействие новой схемы выемки за счет одновременного функционирования двух самоорганизующихся вихревых структур и усиления их массообмена с окружающей средой.

Выводы

1. Нанесение на цилиндрическую поверхность осевого входного участка покрывного диска рабочего колеса центробежного насоса сферических выемок отрывного типа позволяет увеличить напор насоса повышением эффективности работы переднего щелевого уплотнения. Эффективность его работы увеличивается за счет выброса в зазор образующихся в полостях выемок крупномасштабных вихревых структур, снижающих перетекание жидкости из полости высокого в полость низкого давления центробежного насоса.

2. В целях дальнейшего совершенствования щелевых уплотнений предложена новая схема выемок с генерацией более мощных самоорганизующихся вихревых структур. Повышение их мощности происходит путем создания условий для дополнительных гидродинамических эффектов в выемках.

Литература

1. Гортышов Ю.Ф. Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования. Интенсификация теплообмена: монография / Ю.Ф. Гортышов, И.А. Попов, В.В. Олимпиев, А.В. Щелчков, С.И. Каськов: под общ. ред. Ю.Ф. Гортышова. - Казань: Центр инновационных технологий, 2009. - 531с.

2. Полезная модель. Щелевое уплотнение турбомашины / С.С. Титов, А.В. Ильинков, А.В. Щукин, В.В. Такмовцев // Заявка № 2013159298, дата подачи 30.12.2013 г. Патент РФ на полезную модель № 143486 опубл. 23.06.2014 г.

3. Полезная модель. Теплообменная поверхность (варианты) /Хабибуллин И.И., Ильинков А.В., Щукин А.В., Так- мовцев В.В. // Заявка № 2014120548, дата подачи 21.05.2014 г. Решение ФИПС о выдаче патента на полезную модель от 11.07.2014 г.

А.В. Ильинков, А.В. Щукин, В.В. Такмовцев, В.В. Титов, И.И.Хабибуллин , О расширении диапазона эффективной работы щелевых уплотнений в центробежных насосах

Источник: Журнал "Новости теплоснабжения" №03 (174), 2015 г. , www.rosteplo.ru/nt/175

Оставить комментарий

Тематические закладки (теги)

Тематические закладки - служат для сортировки и поиска материалов сайта по темам, которые задают пользователи сайта.

Похожие статьи: