*119020*

Д.т.н. Краев М.В., к.т.н. Краева Е.М.

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева, Россия

Расчет каналов центробежного полуоткрытого рабочего колеса

В центробежных рабочих колесах полуоткрытого и открытого типов существует неравномерность потока и вихревое взаимодействие по радиусу основных потоков жидкости и в боковой пазухе насоса [1]. Лопатки передают энергию потоку жидкости, часть которого в боковой пазухе движется с отставанием от основного. В результате образуется течение как в канале за плохообтекаемым телом, характеризующееся возникновением возвратных токов и вихрей [2]. Этот процесс определяется отношением ширины к длине канала, толщиной пограничного слоя на стенках и относительной высотой лопатки. Взаимодействие потоков в пазухе и в каналах приводит к появлению циркуляционного вихревого течения в зоне за выступом.

На основании исследований по визуализации потока, данных работы [2] и измерения его параметров в зазоре между вращающимся РК с открытыми торцами лопаток и гладким корпусом можно представить расчетную модель струйно-вихревого обтекания каналов РК. Поток жидкости в межлопаточном канале такого РК подвергается непосредственному силовому воздействию лопаток. Жидкость в осевом зазоре закручивается за счет сил трения и проскальзывает относительно торцев лопаток РК. Следовательно, на одном и том же радиусе частицы жидкости в канале и осевом зазоре , движутся с различной окружной скоростью, что приводит к их относительному перемещению в радиальном и осевом направлениях.

На характер течения в каналах определяющее влияние в основном оказывают параметры зоны смешения и вихревого течения. На основании анализа характера обтекания при течении в прямоугольных впадинах, представленных на фотографиях работы [3] следует отметить, что при обтекании квадратного канала для соотношения имеется один устойчивый вихрь, вращающийся почти как твердое тело. При дальнейшем увеличении глубины канала до наблюдаются две вихревые ячейки, расположенные одна над другой и имеющие противоположное направление вращения. Минимизация гидравлических потерь в каналах центробежного колеса не допускает многовихревого течения, как по глубине, так и по ширине канала, для участка, в котором энергия обратного одновихревого тока достигает максимума, получим

. (1)

Минимально возможная величина канала РК на основании (6) будет

. (2)

Минимальную ширину лопатки на выходе из РК находим по условию сохранения ядра потока в межлопаточном канале, что одновременно будет и условием применимости теории к расчету каналов РК.

Критическое значение величины . При этом зона ядра потока совпадает с концом первого участка, а ширина лопатки, при которой ядро потока сохраняется и не выходит за пределы первого участка циркуляционной зоны при условии [2], составит

(3)

По расчетной длине канала при известных ширине и диаметре центробежного колеса оптимальное число лопаток будет

. (4)

Высокая степень неравномерности параметров потока жидкости на выходе из центробежного колеса и вихревая его структура в боковой полости высокооборотного насосного агрегата приводят к существенной потере энергии.

Экспериментальные данные в целом подтверждают принятую модель расчета каналов полуоткрытого центробежного колеса в виде струйно-вихревого трехзонного течения в поле центробежных сил, что позволяет рассчитать его параметры.

Литература

1. Краева, Е.М. Высокооборотные центробежные насосные агрегаты: монография / Е.М. Краева; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. – Красноярск, 2011. - 212 с.

2. Абрамович, Г.Н. Теория турбулентных струй / Г.Н. Абрамович. - М. : Физматгиз,1960. -716 с.

3. Альбом течений жидкости и газа : пер. с англ. / сост. М. Ван-Дайк. – М. : Мир, 1986 .– 184 с.