Струйные насосы

Способ действия. Основные понятия

Струйные насосы из числа насос-аппаратов имеют наиболее широкую область применения и наибольшее разнообразие конструкций. Одним из них является водоструйный насос, действие которого состоит в основном из трёх процессов - преобразования потенциальной энергии рабочей жидкости в кинетическую (в коническом сходящемся насадке), обмена количеством движения между частицами рабочей жидкости и подаваемой среды (в камере смешения), а также перехода кинетической энергии смеси рабочей и транспортируемой жидкостей в потенциальную (в диффузоре). Благодаря этому в камере смешения создаётся разрежение, что обеспечивает всасывание подаваемой среды. Затем давление смеси рабочей и транспортируемой жидкостей значительно повышается в результате снижения скорости движения, что делает возможным нагнетание. Струйные насосы просты по устройству, надёжны и долговечны в эксплуатации, но их кпд не превышает 30%.

В струйных насосах (рис. 9.10, а), называемых также инжекто­рами, эжекторами, гидроэлеваторами, поток полезной подачи Q_o перемещается и получает энергию благодаря смешению с рабочим потоком Q₁ обладающим большей энергией. Полная подача на вы­ходе из насоса Q₂ = Q₁ + Q₀ (9.2)

Энергия этого потока больше энергии потока полезной подачи Q_o,, но меньше энергии рабочего потока Q₁ перед входом в насос.

Струйный насос состоит из рабочего сопла 3 с подводом 2 рабочего потока, камеры 5 смешения, диффузора 6 и подвода 1 потока полезной подачи с входным кольцевым соплом 4 камеры смешения.

Режим работы струйного насоса характеризует четыре приведен­ных ниже и показанных на рис. 9.10, а параметра (их выражения даны для наиболее простого и распространенного случая, когда плотности смешиваемых потоков одинаковы, т. е. ρ ₁ = ρ ₀):

Рис. 9.10. Струйный насос

а – схема и распределение напоров в проточной части

б – схема процесса смешения

1) рабочий напор, затрачиваемый в насосе и равный разности напоров рабочего потока на входе в насос (сечение b - b) и на выходе из него (сечение с - с),

; (9.3)

2) полезный напор, создаваемый насосом и равный разности на­поров подаваемой жидкости за насосом (сечение с - с) и перед ним (сечение а - а),

; (9.4)

3) расход рабочей жидкости

; (9.5)

4) полезная подача

. (9.6)

КПД струйного насоса равен отношению полезной мощности к затраченной:

. (9.7)

Его максимальное значение невелико и составляет . Несмотря на это струйные насосы распространены широко, так как, благодаря простому устройству, малым габаритным размерам, от­сутствию подвижных частей они надежны, легко размещаются в труднодоступных местах, способны подавать агрессивные и загряз­ненные жидкости и выполнять функции смесителей. Типичные схемы установок со струйными насосами показаны на рис. 9.11 и 9.12. Схема на рис. 9.11 представляет смесительную систему или систему откачки жидкости из труднодоступного источника А. На рис. 9.12 изображена струйная бустерная система, т. е. установка с лопастным или объемным насосом, перед входом в который струйный насос создает подпор H_с.н, необходимый для обеспечения бескавитационной работы основного насоса. Для этого часть подачи Q₁ основного насоса отводится к рабочему соплу струйного насоса.

Невысокое значение КПД струйных насосов обусловлено значи­тельными потерями энергии, сопровождающими рабочий процесс. Их можно разделить на два вида.

Рис. 9.11.Схема уста­новки для подачи Рис. 9.12. Схема бустерной установки жидкости струйным насосом. со струй­ным насосом.

1. Потери в камере смешения, состоящие, во-первых, из энергии, рассеиваемой при вихреобразовании, сопровождающем передачу энергии от рабочего потока к подаваемому, и, во-вторых, из потерь на трение жидкости о стенки камеры.

2. Потери в элементах насоса, подводящих и отводящих жидкость. К ним относятся (см. рис. 9.10, а):

а) потери h_Д в диффузоре, обеспечивающем повышение давления от р₂ до р_с путем преобразования большого скоростного напора на выходе из камеры до значения , приемлемого для движения жидкости по трубам за насосом;

б) потери в рабочем сопле

, (9.8)

где - коэффициент сопротивления рабочего сопла 3;

в) потери во входном сопле

, (9.10)

где - коэффициент сопротивления кольцевого подвода 4.

В этой группе наибольшее значение имеет потеря h_д в диффузоре 6.

Характеристика струйного насоса (рис. 9.13, а)описывает его работу на переменных режимах. Ее получают обычно при условии , близком к типичному случаю эксплуатации насосов (см. рис. 9.11), когда пьезометрические уровни источников В рабочей и А подаваемой жидкости приблизительно постоянны. Характеристика состоит из зависимостей полезного напора , представляющей падающую кривую, КПД , имеющей ярко выраженный максимум в зоне, где сумма потерь смеше­ния и потерь в диффузоре минимальна; рабочего расхода , представляющей слабо возрастающую кривую.

Соответственно условию каждый насос может иметь множество характеристик (см. рис. 9.13, а).

Более удобно характеристику струйного насоса представлять в относительной безразмерной форме, как совокупность зависимостей

(см. рис. 9.13, б)

h = f (q), η = f (q) и μ _р.с = f(q):

относительный напор

h = H_п/(H_п + H_р); (9.11)

относительный расход

q = Qo/Q₁; (9.12)

коэффициент расхода рабочего сопла

. (9.13)

Выражение для КПД, получаемое путем преобразования зави­симости (9.7) с применением выражений (9.11) и (9.12), имеет вид

η = qh/(l-h). (9.14)

Размеры проточной части в относительной форме характеризуются относительной площадью

, (9.15)

которая представляет отношение площади входа в камеру смешения к площади рабочего сопла. Величина К определяет также отношение диаметра d₀ входа в камеру смешения к диаметру d₁ рабочего сопла.

Рис. 9.13. Характеристика струйного насоса:

а – при переменных режимах работы и условии ;

б – в относительной безразмерной форме

Все множество размерных характеристик, полученных при разных значениях для всех струйных насосов с постоянным значением относительной площади К = const, может быть сведено к одной безразмерной характеристике. Для этого должны быть вы­полнены следующие условия:

1) кроме равенства величины К соблюдено геометрическое по­добие для всех элементов проточной части;

2) значения относительной шероховатости стенок проточной части должны быть приблизительно одинаковыми;

3) на кинематически подобных режимах работы, характеризуе­мых условием q = const, соблюдено также подобие по числам Рейнольдса Re ≈ const.

При выполнении этих условий подобия постоянным значениям относительных расходов q = const будут соответствовать постоянные значения относительных напоров h = const и безразмерные харак­теристики подобных насосов с К = const будут одинаковы.

Удобной формой записи числа Re для струйных насосов явля­ется

. (9.16)

Подобие по числу Рейнольдса нужно соблюдать при Re < 10⁶. В зоне Re ≥ 10⁶ автомодельности влияние Re на форму характе­ристики прекращается и она зависит только от относительных раз­меров проточной части, выражаемых значением К.

Так, безразмерная характеристика на рис. 9.13, б выражает свойства насосов с К = 2 в зоне автомодельности и включает в себя обе характеристики, изображенные на рис. 9.13, а.

С изменением величины К форма безразмерной характеристики должна изменяться. Это можно видеть из рассмотрения рабочего процесса в камере смешения (рис. 9.10, 6). При истечении рабочей жидкости со скоростью из сопла в затопленное пространство сразу за передним срезом сопла на поверхности струи возникает область смешения. Быстрые частицы из струи проникают в окружа­ющий ее медленный поток невозмущенной жидкости, подсасываемой через кольцевой проход в камеру со скоростью , и сообщают ей энергию. Энергия вторгшихся частиц уменьшается. Этот процесс, основанный на интенсивном вихреобразовании, происходит в непре­рывно утолщающемся по длине турбулентном пограничном слое, называемом струйным пограничным слоем. Расход жидкости в нем с удалением от сопла непрерывно увеличивается за счет вовлечения нового количества жидкости, а поле скоростей по сечению струи стремится к выравниванию.

Внутренняя, не участвовавшая еще в смешении область рабочей струи, ее ядро, и внешняя область невозмущенной подсасываемой жидкости непрерывно утоняются. На расстоянии L в рабочей струе не остается частиц, обладающих начальным запасом энергии, а в се­чении 1'-1', где пограничный слой достигает стенки камеры, закан­чивается вовлечение новых частиц из внешнего невозмущенного потока. Участок 1’-1' назовем участком вовлечения. Далее на участке 1^’ - 2 стабилизации в струе происходит только выравнивание рас­пределения скоростей и соответственно выравнивание энергий вслед­ствие смешения частиц из внутренней области струи, где их энергия выше, с периферийными слоями. При этом скорости в струе прибли­жаются к среднему значению .

Чаще всего в струйных насосах применяют цилиндрические ка­меры смешения (d₀ = d₂). Они просты в изготовлении и позволяют получать относительно хороший КПД. В таких камерах, как пока­зано на рис. 9.10, а, энергия перекачиваемого потока увеличивается по длине камеры за счет прироста кинетической энергии и давления. Однако доля кинетической энергии на выходе из камеры еще недо­пустимо велика и ее дальнейшее преобразование в давление произ­водится, как указывалось, в диффузоре.

Для получения максимального КПД насоса важен рациональный выбор длины L_K камеры смешения. При длинной камере поле ско­ростей в потоке перед входом в диффузор хорошо выровнено и преоб­разование кинетической энергии в нем будет происходить с малыми потерями. Однако при этом велики потери в камере смешения. При короткой камере процесс смешения в ней не завершится и слабая выровненность поля скоростей в сечении 2 - 2 приведет к увеличе­нию потерь в диффузоре, хотя потери в самой камере смешения уменьшатся.

Оптимальная длина L_K камеры определяется экспериментально. Ее величина, как и форма характеристики насоса, зависит от пара­метра К. Насосы с малым К, у которых, согласно выражению (9.15), диаметр сопла d₁ близок к диаметру камеры d₀, будем называть высоконапорными. В них площадь S₀, пропускающая подсасывае­мый поток, относительно мала. Малым будет и относительный рас­ход q. Зато каждая единица массы перекачиваемой жидкости получит здесь большую энергию и относительный напор h будет велик. В таком насосе согласно рис. 9.10, 6 участки вовлечения и стабили­зации должны быть короткими и оптимальная длина L_K камеры малая. Напорная характеристика насоса будет иметь форму круто падающей кривой.

Низконапорный насос, у которого d₀ > > d₁, и параметр К велик, может иметь большую подачу, но сообщает жидкости малые напоры H_п. Для него диапазон q велик, а величины h малы и характеристика имеет пологую форму. Камера смешения такого насоса должна иметь большую длину из-за протяженности участков вовлечения и стаби­лизации.

Если безразмерные характеристики насосов с различными К на­нести на общее поле, то по ним можно построить огибающую (рис.9.14) соприкасающуюся с каждой из возможных характеристик К = const в одной точке (разработка и использование огибающей характеристик для расчета струйных насосов предложены Л. Г. Подвидзом). Для любого значения q огибающая указывает наибольший относительный напор h. Значит, согласно выражению (9.14) огибающая объединяет режимы наивысшей возможной экономичности для струйных насо­сов. Так как в каждой точке огибающей ее касается одна характе­ристика К = const, насос с этим значением К будет оптимальным для сочетания параметров q и h в этой точке. Левая часть поля под огибающей занята крутыми характеристиками высоконапорных на­сосов (например, К = 0, 5). В правую часть поля вытянуты пологие характеристики низконапорных насосов (например, К = 10). Взаимосвязанные величины q и h в точках огибающей определяют наивысшие возможные значения КПД насосов. Их можно вычислить по выраже­нию (9.14).

Совокупность характеристик на одном поле и соответствующую им огибающую надо строить для одного диапазона значений Re. Например, характеристики на рис. 9.14 соответствуют Re ≥ 10⁶.

На рис. 9.14 вместе с огибающей h = f (q) напорных характеристик представлены также вспомогательные зависимости, необхо­димые для определения соотношений размеров проточной части оптимальных насосов. Кривая К = f (q) связывает точки огибающей со значениями К = const характеристик, касающихся огибающей в этих точках. Кривая L_K /d₂ = f (К) позволяет определить оптималь­ную длину камеры смешения, соответствующую каждому К.

Рис. 9.14. Огибающая безразмерная характеристика струйных насосов

с ци­линдрическими камерами смешения

По кривым h₀ = f (K) и q₀ = f (K) можно найти начальную и конечную точку любой характеристики К = const и приближенно построить любую характеристику К = const по трем точкам - значениям h₀, q₀ и координатам q и h точки касания с огибающей (см. характе­ристику К = 5 под огибающей на рис. 9.14).

С уменьшением Re потери в насосах возрастают. При этом полез­ный напор H_п и соответствующий ему согласно выражению (9.11) относительный напор h уменьшаются по сравнению со своими предель­ными значениями в зоне Re > 10⁶. Опытами установлено, что с умень­шением Re относительное уменьшение h не зависит от q и для полу­чения желаемого h нужно в таких случаях применять насосы с боль­шим диаметром сопла, т. е. с меньшим К.

Для определения значений h* и K *, представляющих относи­тельные напор и площадь, соответствующие заданному q при Re < 106, на рис. 9.15 приведены экспериментальные зависимости где h и К представляют значения, соответствующие заданному q по огибающей нарис. 9.14 приRe ≥ 10⁶.

По характеристикам, данным на рис. 9.14 и 9.15, можно легко найти основные размеры проточной части требуемого струйного насоса по значениям его четырех основных рабочих параметров, приведенным в начале параграфа. Если задано не более трех пара­метров, а четвертый может варьировать, это означает, что задано либо h либо q. В этом случае недостающую относительную величину выбирают по огибающей на рис. 9.14 и с ее помощью уточняют нужное значение четвертого параметра. Далее, соответственно известному q по графику К = f (q) определяют требуемую относи­тельную площадь К и по графику L_K/d₂ = f(К) необходимую относи­тельную длину камеры смешения.

Рис. 9.15. Зависимость относительных параметров струйных на­сосов от числа.. ……… Рейнольдса

Диаметр d₁ рабочего сопла насоса можно определить из выра­жения (9.5), если известна скорость в рабочей струе. Эта скорость зависит от разности напоров рабочего потока до и после сопла, т. е. от величины Hп + Н_р. Согласно рис. 9.10, а и выражениям (9.3), (9.4), (9.8) и (9.9)

. (9.16)

Решая совместно уравнения (9.5), (9.6), (9.11) и (9.14), получим

. (9 17)

Совместное решение уравнений (9.16) и (9.17) позволяет определить скорость :

. (9.18)

В выражении (9.18) величина представляет собой переменный коэффициент расхода рабочего сопла. Как показано на рис. 9.13, с увеличением полезной подачи Q_o и соответственно q рабочий расход Q₁ и соответственно μ _р.с слабо возрастают. Это обусловлено понижением давления р₁ у входа в камеру смешения с увеличением скорости перекачиваемого потока.

После определения по уравнениям (9.5) и (9.18) диаметра d₁ сопла, из выражения (9.14) находят диаметр d₂ = d₀ камеры смешения и, пользуясь найденным относительным размером L_k / d₂, ее длину L_K. Рекомендуется применять диффузоры с углами раскрытия 6 - 8°. Рабочее сопло и кольцевое входное сопло камеры смешения (рис. 9.10, 6) выполняют обычно в виде плавно сходящихся коноидальных насадков. Кромку рабочего сопла делают по возмож­ности тонкой с относом L_c от начала камеры (сечение 1 -1 нарис.9.10, б)на . При соблюдении этих рекомендаций можно принимать и .

Жесткое задание четырех основных параметров [формулы (9.3) - 9.6)] означает, что заданы q и h. Они определяют точку на поле огибающей (см. рис. 9.14). Если она лежит над огибающей, то соз­дание такого насоса невозможно и требуется корректировка задания. Если точка лежит под огибающей, то тип нужного насоса, характери­зуемый величиной К, находят подбором. Для этого, подбирая взаи­мосвязанные значения h₀ и q₀ покривым h₀ = f (К) и q ₀ = f (К) на рис. 9.14, строят приближенно характеристику, проходящую через данную точку под огибающей и касающуюся огибающей. Пользуясь значением q для точки касания определяют по кривой К = f (q) величину К нужного насоса. Далее, пользуясь найденным значением К, определяют размеры его проточной части так же, как было описано выше.

Приведенные характеристики и расчеты, связанные с ними, действительны, если обеспечена бескавитационная работа струйного насоса. При чрезмерно малом давлении p₁ (рис. 9.10, а) у входа в ка­меру смешения, в месте контакта двух потоков, кавитация возникает в струйном пограничном слое, где из-за интенсивного вихреобразования образуются области наименьшего давления р_min = p_н.п (p_нп - давление паров жидкости). Процесс смешения из-за интен­сивного выделения парогазовых пузырьков нарушается, и полезный напор Н_п резко снижается по сравнению с нормальным.

Понижение давления в пограничном слое по сравнению с окру­жающим его невозмущенным потоком пропорционально скорости этого потока:

.

Используя это уравнение для условий возникновения кавитации (P_min = Р_н.п) и решая его совместно с уравнением Бернулли для се­чений а - а и 1 - 1 перекачиваемого потока, получим критический напор на входе в насос:

.

Из этого уравнения можно выделить критический запас давления сверх давления насыщенных паров, соответствующего началу кави­тации. Соответствующий этому запасу давления напор

.

Критический запас напора можно представить в относительной форме. Используя выражения (9.17) и (9.18), получим

. (9.19)

Опытами установлено, что величина и для всех струйных насо­сов, работающих на оптимальных режимах, соответствующих точ­кам огибающей (см. рис. 9.14), изменяется мало:

.

Это обусловлено тем, что для однотипных по форме входов в ка­меру, выполненных в виде плавных сходящихся насадков, С ≈ const. Мало изменяется для оптимальных режимов и величина μ _р.с. Следовательно, по выражению (9.19) легко найти . Экс­плуатировать насосы во избежание кавитации надо при

.