РАЗДЕЛ 2
ГИПОТЕЗА РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА НАСОСОВ С ПОЛУОТКРЫТЫМИ И ОТКРЫТЫМИ РАБОЧИМИ КОЛЕСАМИ
2.1 Физическая модель рабочего процесса в проточных частях с полуоткрытыми и открытыми рабочими колесами
Для разработки математической модели рабочего процесса, описывающей распределение энергии в насосах с полуоткрытыми и открытыми рабочими колесами на оптимальном режиме необходимо осуществить анализ факторов, которые определяют характер течения в проточной части и уточнить физическую модель.
Как показал анализ литературных источников картина течения в проточной части насосов с полуоткрытыми и открытыми рабочими колесами сложна и многообразна. Мера влияния отдельных факторов определяется исследователями неоднозначно, так как нет единого, достаточно обоснованного взгляда на формирования потока в проточной части такого типа [38, 42, 55, 95, 96, 97, 112, 113].
По характеру гидродинамических закономерностей насосы с полуоткрытыми и открытыми центробежными рабочими колесами часто ставят в один ряд со свободновихревыми насосами [41, 42, 49 - 51]. Соответственно в представленной работе мы попытались сформулировать и обобщить основные положения качественной модели течения в проточной части с полуоткрытыми и открытыми рабочими колесами, опираясь на имеющиеся представления о течении в насосах с закрытыми центробежными рабочими колесами и свободновихревых насосах, а также данные экспериментальных исследований полуоткрытых рабочих колес.
Движение реальной жидкости в канале закрытого рабочего колеса, и обтекание его лопастей связано с образованием пограничного слоя и возможностью его отрыва. Пограничный слой набухает в зоне местной диффузорности канала и существенно изменяет кинематику внешнего потока. Частицы жидкости в пограничном слое, обладая меньшей кинетической энергией, не способны проникнуть в область, в которой давление возрастает вследствие динамики основного потока. Они затормаживаются, что приводит к разделению потока на две зоны: низкоэнергетическую зону, получившую название "след", и зону активного потока - "струю" [74, 93, 94].
Важную роль в формировании описанной несимметричности играют вторичные течения, вызванные действием сил на поток в центробежном рабочем колесе. Баланс невязких сил согласно [112] состоит в следующем: градиент давления уравновешивает силы инерции - центробежные силы, возникающие вследствие поворота потока из осевого направления в радиальное, а также центробежные силы, возникающие вследствие вращения, и силу Кориолиса.
Механизм развития вторичных течений в закрытых рабочих колесах в [33, 83] объясняется следующим образом. В результате совместного действия центробежных и кориолисовых сил инерции в ядре потока поперек канала возникает разность давлений, которая и уравновешивает эти силы в ядре. Значение инерционных сил действующих на жидкость у ограничивающих дисков будет меньше (поскольку скорость в пограничном слое у дисков меньше скорости в ядре потока). В то же время давление в пограничном слое у дисков будет оставаться равным давлению в основном потоке вне его. Таким образом, градиент давлений от рабочей стороны лопасти к тыльной перестанет уравновешиваться инерционными силами в пограничном слое, вследствие чего и возникает вторичное течение у диска, направленное от рабочей стороны лопасти к тыльной. Это приводит, в свою очередь, к перестройке течения в ядре потока, из-за чего возникает вторичное течение и у лопастей, направленное по нормали к дискам, а также компенсирующее течение в ядре потока, направленное от тыльной стороны лопасти к рабочей.
В меридиональном сечении на входе в рабочее колесо и на начальном участке лопастей, где кривизна канала в меридиональной плоскости будет наибольшей, поперечный градиент давления, направленный от покрывающего диска к основному будет уравновешивать центробежную силу, обусловленную меридиональной кривизной. На радиальных участках рабочего колеса эта сила становится очень маленькой и стремится к нулю.
Величина и направление центробежных сил, вызванных вращением, и сила Кориолиса будут определяться частотой вращения и геометрией межлопастного канала. Как отмечается в [83], для лопастей загнутых назад действие кориолисовой и центробежных сил будет противоположным, а для лопастей с углом выхода 90? и загнутых вперед - однонаправленным, что усиливает их действие и препятствует отрыву пограничного слоя. Это приводит к тому, что согласно экспериментальным данным [39] при больших углах установки лопасти увеличивается зона следа, примыкающая к тыльной стороне лопасти, а в колесах с малыми ?2 [2] обычно имеется более равномерное поле течения на выходе.
В межлопастном канале с загнутыми назад лопастями радиус кривизны лопасти обычно очень большой, и сила Кориолиса будет преобладать над центробежной силой, возникающей вследствие вращения. Таким образом, возникает поперечный градиент давления, повышающий давление на рабочей стороне лопасти под действием силы Кориолиса. Следовательно, как отмечается в [13], в центробежном колесе перепад давления на лопастях возникает не только от обтекания лопастей потоком в относительном движении, но и в результате воздействия Кориолисовой силы. Поэтому факторы, способствующие увеличению перепада давления на лопастях, одновременно увеличивают и потери на вторичные течения. Такими факторами, согласно [59], являются кривизна лопастей в радиальной плоскости и положительные углы атаки.
Согласно [112], вторичные течения формируют следующие вихревые движения: КВ - концевые вихри в межлопастном канале (канальные) на основном и покрывающем диске, создаваемые концевыми пограничными слоями на основном и покрывающем диске и кривизной линий тока в радиальной плоскости в межлопастном канале; ЛВ - вихри на поверхности лопасти, возникающие вследствие меридиональной кривизны канала и пограничных слоев на поверхности лопасти; СКВ - вихри, возникающие под воздействием силы Кориолиса и концевых пограничных слоев на радиальных участках рабочего колеса. СКВ имеют место в концево
- Київ+380960830922