РАЗДЕЛ 2
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ, МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЕГО ПРОВЕДЕНИЯ
2.1. Цель, задачи и методы проведения исследования
Теоретический напор, создаваемый рабочим колесом динамического насоса, в частности центробежного, определяется по уравнению Эйлера [100]
, (2.1)
где U1, U2 - окружные скорости на входе и выходе рабочего колеса соответственно;
Vu1, Vu2 - окружные составляющие абсолютной скорости на входе и выходе рабочего колеса соответственно.
Из приведенного уравнения видно, что напор не зависит от плотности среды. Совместное действие на пузырек газа, движущегося в межлопастном канале рабочего колеса подъемной силы и силы лобового сопротивления, а также неравномерность распределения давления по ширине канала приводит к отставанию скорости газа от жидкости и накоплению его в некоторых местах рабочего колеса. При этом средняя плотность смеси при перекачивании ГЖС меньше, чем в случае перекачивания чистой жидкости. Накопившийся в межлопастном канале газ изменяет "геометрию" рабочего колеса и, соответственно, составляющие треугольника скоростей. В частности это касается Vu как на входе в рабочее колесо, так и на выходе из него.
При некоторой величине объемного газосодержания значимая по размерам газовая каверна образуется у нерабочей стороны лопасти и создает клиновидную газовую зону (рис. 2.1). В этой зоне не происходит увеличения давления и отсутствует подача. Газовая зона уменьшает эффективное поперечное сечение рабочего колеса, особенно к выходу.
Выход газожидкостного потока из рабочего колеса происходит по рабочей стороне лопасти с уменьшенным углом выхода и с повышением скорости. потока. Меридиональная составляющая Vm абсолютной скорости V2 возрастает с уменьшением эффективного поперечного сечения рабочего колеса на выходе. Рабочее колесо передает энергию перекачиваемой среде в виде кинетической энергии за счет увеличения скорости потока перекачиваемой жидкости. На выходе, при высоком газосодержании получаются новые треугольники скоростей, потока (рис. 2.2).
За рубежом для перекачки шламов с высоким содержанием твердых частиц и газов получили широкое распространение СВН [30, 37, 38, 101, 102]. В приведенных источниках указывается только о возможности применения СВН для перекачивания ГЖС. Более подробно работа СВН на ГЖС рассмотрена в [7]. Это единственная известная нам научная работа, посвященная этой проблеме. Испытывался СВН с вертикальным валом, рабочим колесом типа "Turo" и спиральной свободной камерой (коэффициент быстроходности ns = 196). Отмечается, что при достижении на входе объемного газосодержания ? = 0,04 характеристики насоса становятся неустойчивыми и через 2 часа насос прекращает подачу жидкости. Причиной прекращения подачи является накопление пузырьков газа в зоне рабочего колеса. Как следствие, критическая величина газосодержания для СВН типа "Turo" оказывается ниже, чем у ЦБН типовой конструкции.
Противоречивые сведения о работе СВН типа "Turo" на ГЖС не дают возможности судить о способности этого типа насосов работать на ГЖС, оценить процессы, проходящие в проточной части насоса, и иметь рекомендации для расчета СВН, перекачивающего ГЖС. В настоящее время в мировой и отечественной практике отсутствует единый и теоретически обоснованный метод расчета СВН даже для однородной жидкости. Известные методики расчета СВН различны между собой, поскольку базируются на разных представлениях о рабочем процессе СВН [6, 101, 103-105].
Известные методики [78, 80] расчета лопастного насоса при работе его на ГЖС жестко привязаны к конкретной конструктивной схеме его проточной части и, как следствие, носят частный характер.
На основании проведенного обзора и анализа известных литературных источников определена цель проведения работы - изучение влияния газовой составляющей перекачиваемой среды на рабочие характеристики динамических насосов и разработка рекомендаций относительно учета этой составляющей при выборе конструктивного исполнения и определения рабочей характеристики проектируемого и действующего насосного оборудования.
Для достижения поставленной цели сформулированы частные задачи исследования:
- сопоставление явлений срыва параметров в динамических насосах разных конструктивных схем и принципов действия при кавитации и достижении критической величины газовой составляющей в перекачиваемой среде;
- оценка влияния на качество работы на ГЖС конструктивных особенностей динамических насосных агрегатов, не связанных с геометрией проточной части собственно насосов;
- совершенствование существующей теории рабочего процесса насосов вихревого принципа действия на однородной среде;
- разработка физической модели течения ГЖС в проточной части СВН типа "Turo";
- определение механизмов влияния газовой составляющей в перекачиваемой среде на рабочие характеристики центробежных и свободновихревых насосов;
- разработка методик пересчета рабочих характеристик центробежных и свободновихревых насосов с воды на ГЖС;
- определение путей создания унифицированных динамических насосных агрегатов на разные параметры, работоспособных на разных по составу и свойствам перекачиваемых средах.
В качестве основного объекта исследований выбран СВН с рабочим колесом типа "Turo", коэффициентом быстроходности ns = 100 и геометрическими размерами, согласно [106, 107] (рис. 2.3).
Сложность теоретического изучения рабочего процесса СВН при работе на ГЖС заставила сделать вывод о том, что в качестве основного метода исследования выбирается экспериментальный. В данном случае экспериментальный метод позволяет получить изменения рабочих точек характеристики СВН в зависимости от величины газосодержания на входе, частоты вращения, давления на входе и величины воздушных пузырьков.
Для разработки физической модели течения ГЖС в проточной части СВН и определения механизма срыва его основных параметров в экспериментальном исследовании принято решение использовать метод ви