Суднові допоміжні механізми
Відцентрові насоси складають вельми обширний клас насосів, які мають найширше застосування в системах охолодження ДВЗ, а також в енергетичних установках з ДВЗ (пожарної системи) і різного призначення. Відцентрові насоси звичайно добре працюють з чистими і рідкими рідинами, хоча у разі потреби непогано працюють і з відносно забрудненими рідинами. Цим вони добре відрізняються від об’ємних насосів, які відносно погано працюють з забрудненими рідинами та з рідинами, що погано змащують робочі органи насосів. У той самий час відцентрові насоси, на одміну від об’ємних, не можуть працювати з густими та в’язкими рідинами.
Область ефективного застосування відцентрових насосів просто визначається через значення коефіцієнту швидкохідності ns. Зокрема, відцентрові насоси з циліндричною формою лопатей слід використовувати у діапазоні ns = 50…100. Цей діапазон є найбільш придатним для більшості насосів систем охолодження ДВЗ, і насоси відповідного типу є найпоширенішими серед інших, які теж використовують у подібних системах, але порівняно у менших кількостях. Зокрема, для великих ДВЗ інколи застосовують відцентрові насоси з лопатями двоякої кривизни. Їх проектування має певні відмінності і є дещо складнішим.
Таким чином, у даній роботі розглядається методика проектування найбільш поширеної групи відцентрових насосів, де містяться усі основні елементи проектування насосів такого типу. Опанування цієї методики необхідне для фахівців, що проектують сучасні ДВЗ та установки з ДВЗ різного призначення. Крім того, знання основи проектування найбільш поширеного типу відцентрових насосів буде корисним для фахівців багатьох галузей, де звичайно застосовують насоси такого типу.
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ КОРАБЛЕБУДУВАННЯ
імені адмірала Макарова
Машинобудівний інститут
Кафедра ДВЗ
Завдання
на виконання курсового проекту з дисципліни
«Суднові допоміжні механізми»
Виконати проект відцентрового насосу
Розхід насосу Q = 100 м3/год;
Питома робота L = 800 Дж/кг;
Максимальна висота всмоктування hвс = 5,0 м;
Призначення насосу – для системи побутового водопостачання – прісної побутової води. Температура води tw = 20 оС.
I. Розрахунково-пояснювальна записка (35…40 аркушів формату А4):
Завдання
Вступ
- Визначення критичного кавітаційного запасу енергії Δlкр, коефіцієнту кавітаційної швидкохідності С, кутової швидкості обертання ротору насоса ω та коефіцієнту швидкохідності ns.
- Визначення основних розмірів робочого колеса.
- Розрахунок і побудова меридіанного перерізу робочого колеса.
- Розрахунок і побудова середньої лінії лопаті робочого колеса в плані.
- Розрахунок та профілювання спірального відвідного каналу трапецієвидної форми методом R·Cu = const.
- Оцінка дійсної (допустимої) висоти всмоктування насоса.
- Опис конструкції спроектованого насоса та оцінка його придатності для виконання призначення.
Висновок по проекту
Література
II. Графічна частина:
розріз насосу вздовж вісі ротора (1 арк., формат А1);
побудова вхідних і вихідних трикутників швидкостей (2 арк., формат А4);
побудова меридіанного перерізу робочого колеса (1 арк., формат А4);
побудова лопаті робочого колеса в плані (1 арк., формат А4);
побудова спірального відвідного каналу трапецієвидної форми (1 арк., формат А3).
Срок здачі проекту: ___________
Виконавець студент: ______________________________
Лектор________________________
Керівник______________________
1. Визначення критичного кавітаційного запасу енергії Δlкр, коефіцієнту кавітаційної швидкохідності С, кутової швидкості обертання ротору насоса ω та коефіцієнту швидкохідності ns
Критичний кавітаційний запас енергії насосу ∆lкр обчислюємо за формулою
де
ра - тиск на вільній
поверхні рідини в резервуарі,
Па. Вважаємо, що в резервуарі
атмосферний тиск, тому
приймаємо ра = 100000 Па;рп -
тиск насичених парів
рідини, яка перекачується,
при заданій температурі,
Па; вибираmбираємо ρ = 998,23
кг/м3 при tw = 20
оС (з додатку 2);lтп - величина втрат в прийомному патрубку,
м2/с2; g = 9,8 м/с2 - прискорення вільного падіння; hвс - максимальна висота всмоктування, м
(hвс = 5 м, надана у завданні); А = 1,15…3 - коефіцієнт
запасу [1]; приймаємо А = 1,2.
Величина втрат
в прийомному патрубку
де ll - опір тертя, м2/с2; - місцеві опори, м2/с2.
За формулою Дарсі-Вейсбаха
де l - загальна довжина трубопроводу, м; d - його внутрішній діаметр, м;w - швидкість рідини в трубах, м/с; - коефіцієнт опору тертя для шорстких труб (легка корозія).
Найбільша довжина трубопроводу і інші характеристики прийомного
тракту повинні визначатися
з урахуванням можливого
На підставі всього зазначеного вище рахуємо
При відомих Δlкр, Q, C частоту обертів ротору насосу ω обчислюємо з виразу
де Q=0,0175м/с=63/3600
Частота обертання ротору
З урахуванням того, що цей насос повинен мати електропривод, отримане значення потрібно відкоригувати до найближчого довідникового значення, яке притаманне звичайним електродвигунам відповідної потужності (потужність захується нижче, але для нашої потреби її можна визначити попередньо, приблизно). Найближча частота для електродвигуна складатиме 2950об/хв. (прийнята з додатку3). Прийнятий електродвигун типу А91-2 задовольнить умови приводу насосу.
Відповідно кутова швидкість
Скориговане значення коефіцієнта кавітаційної швидкості С
Отриманий коефіцієнт кавітаційної швидкохідності С не виходить за межі рекомендованих значень тому можна лишити С=799,5
Рахуємо коефіцієнт швидкохідності
ns = 33.20; С = 791,29; Δlкр = 20,77 м2/с2; ω = 308.78 с-1 ; n = 2950 об/хв.
2. Визначення основних розмірів робочого колеса
Розрахунок робочого колеса насоса можна умовно розділити на дві частини: визначення вхідних і вихідних розмірів колеса.
Вхідні параметри:
D0 – діаметр входу в робоче колесо;
D1 – діаметр середньої вихідної кромки лопаті робочого колеса;
∆1 – товщина лопаті на вході;
β1 – кут установки лопаті на вході.
Вихідні параметри:
D2 – зовнішній діаметр робочого колеса;
∆2 – товщина лопаті на виході з колеса;
β2 – кут установки лопаті на виході.
Вищезазначені параметри визначаються з використанням рівнянь витрати рідини та основного рівняння лопатевих насосів (рівняння Ейлера).
Для визначення основних розмірів робочого колеса (рис. 1.) ми маємо наступні значення Q, L, ω, C, ns.
Розрахунок слід розпочинати з визначення ККД насоса η:
де ηг – гідравлічний ККД. Значення ηг сучасних насосів залежить від ns і дорівнює 0,85…0,95;
ηо – об’ємний ККД. Середнє значення ηо = 0,9…0,98;
ηмвн – коефіцієнт, який враховує тертя дисків колеса о воду;
ηсп – коефіцієнт, який враховує втрати в сальниках та підшипниках.
Рис. 1. Схема робочого колеса відцентрового насоса
Гідравлічний ККД знаходиться по D1пр спочатку в першому наближенні, а потім уточнюється з врахуванням зміни діаметрів.
D1пр – приведений (середньоквадратичний) діаметр на вході в колесо, мм.
Приведений діаметр в першому наближенні обчислюється за формулою:
де kD1 – коефіцієнт вхідного діаметру;
Q1 – розхід рідини через одне колесо, м3/с.
де kСо – коефіцієнт, який залежить від С (див. рис. 2.)
Рис. 2. графік залежності kСо = f(С).
kco = 1,13773E-14C4 - 9,89853E-11C3 + 2,93714E-07C2 - 3,81115E-04C + 2,38791E-01 = kco= 1,13773E-14×791,294 - 9,89853E-11×791,293 + 2,93714E-07×791,292 - 3,81115E-04×791,29 + 2,38791E-01 = 0.063
Приймаємо kСо = 0,063.
Розхід рідини через одне колесо дорівнює:
де zп – кількість потоків (коліс) в насосі, шт. Приймаємо zп = 1.
Приведений діаметр в другому наближенні обчислюється після остаточного визначення dст і D1 за формулою:
де dст – діаметр маточини робочого колеса, м;
D1 – діаметр середини вхідної кромки лопаті робочого колеса, м.
Діаметр маточини робочого колеса залежить від діаметру вала ротору насоса і приймається конструктивно:
де dв – діаметр вала ротора насосу, м.
Зазвичай діаметр вала ротору насоса визначають при конструктивній проробці схеми насосу з врахуванням критичної частоти обертів. Орієнтовно dвс визначаємо спрощеним розрахунком на скручування з заздалегідь заниженими допустимими напруженнями:
де Mк – крутний момент на валу ротора насосу, Н∙м;
[τкр] = (300…500) ∙105 Па – допустиме напруження на скручування для вала круглого перетину виготовленого зі сталі [3].
Приймаємо [τкр] = 300 ∙105 Па
Розрахунок ступеня насоса вимагає вдаватися до ряду наближень, ітерацій. Завдяки машинним розрахункам необхідна кількість таких ітерацій не має великого значення. Надалі в роботі перші наближення розрахункових параметрів не приводяться, а вказуються лише їх остаточні значення.
Крутний момент на валу ротора насосу обчислюється за формулою:
де Nв – потужність на привід вала ротора насосу, Вт.
Приймаємо діаметр валу 0,020 м
Приймаємо діаметр маточини робочого колеса 0,03 м
Діаметр середини вхідної кромки лопаті робочого колеса для насосів з ns = 80…120 згідно з [2] знаходиться у межах:
де D0 – діаметр входу в робоче колесо, м.
Діаметр входу в робоче колесо обчислюється за формулою:
де Qр – розрахунковий розхід через робоче колесо насоса з врахуванням об’ємних втрат рідини через ущільнення, м3/с;
со – швидкість рідини в кільцевому прийомному отворі робочого колеса, м/с. Ця швидкість повинна знаходитися в межах 2…6 м/с.
Розхід рідини через робоче колесо насоса з урахуванням додаткових паразитних течій обчислюється за формулою:
Швидкість рідини в кільцевому прийомному отворі робочого колеса згідно з теорією подібності повинна дорівнювати:
Згідно з такою швидкістю
Приймаємо D0 = 0,07 м і D1 = D0 = 0,07 м.
Тож приведений діаметр в другому наближенні дорівнюватиме:
Значення гідравлічного ККД:
Об’ємний ККД обчислюється за формулою:
Коефіцієнт, який враховує тертя дисків колеса об воду, розраховується за формулою:
Коефіцієнт, який враховує втрати в сальниках та підшипниках, лежить в межах 0,95…0,98. Приймаємо .
Результуюче значення ККД насоса дорівнюватиме:
Кут установки лопаті на вході визначається за формулою:
де β10 – кут безударного входу, град;
δ – кут атаки, град.
Значення кута знаходиться в межах від 0 до 15°[2]. Враховуючи особливості застосування насосу, що проектується, в нашому випадку доцільно прийняти δ як величину, яка доповнює кут β1 до цілого числа градусів. Введення кута атаки міняє конфігурацію вхідного трикутника, перетворюючи його в косокутний трикутник (див. рис. 3.)
Кут безударного входу визначається за формулою:
де с1m – меридіанна складова абсолютної швидкості потоку рідини на вході в робоче колесо, м/с;
u1 – колова швидкість потоку рідини на діаметрі D1, м/с.
Меридіанна складова абсолютної швидкості потоку рідини на вході обчислюється як:
де –швидкість рідини в районі повороту протока в робочому колесі, м/с;
k1 – коефіцієнт захаращення каналу колеса лопатями на вході.
де z – число лопатей робочого колеса насосу;
∆S1 – перетин лопаті на вході, нормальний до радіуса, м (рис. 1).
Оптимальна кількість лопатей робочого колеса обчислюється за формулою:
де k = 6,5 для литих коліс з відносно великою товщиною лопаті і k = 8 для робочих коліс з лопатями з листового матеріалу. Приймаємо k = 6,5.
Попереднє значення зовнішнього діаметру робочого колеса визначається згідно з теорією подібності за формулою:
Виходячи із забезпечення мінімальних втрат, попереднє значення величини кута β2 повинно бути обране з табл. 1.
Таблиця 1. Залежність β2 від ns
|
ns |
від 40 до 100 |
до 100 |
до 200 |
β2, град |
30…36 |
25…30 |
20…22 |
Приймаємо в першому наближенні β2 = 30°*
*,** Примітка: значення β2 та D2 у всіх наведених вище та нижче формулах надаються у останньому наближенні, з урахуванням отриманих результатів через використання комп’ютерної програми.
Розраховане значення кількості лопатей робочого колеса є орієнтовним і може бути зміненим в певному діапазоні значень. Тож для відцентрових насосів загального призначення кількість лопатей робочого колеса лежить в межах 6…12. Для отримання більш стабільної характеристики більш доцільно мати z = 6…8. Приймаємо z=10.
Приймаємо z = 6.
де ∆1 – товщина лопаті на вході, м. Зазвичай ∆1 = 1…4 мм, обирається за умови жорсткості та стійкості матеріалу, але так, щоб забезпечити умову 1,1 ≤k1 ≤ 1,25.
Приймаємо ∆1 = 1 мм.
Значення коефіцієнту
Значення кута атаки обираємо таким, щоб доповнити кут β1 до цілого числа градусів. Приймаємо δ = 0.21°
Зовнішній діаметр робочого колеса у другому наближенні визначається за формулою:
де L∞ – питома робота колеса з нескінченним числом лопатей, Дж/кг.
де p – поправка на скінчену кількість лопатей робочого колеса. Зазвичай лежить в межах 0,2…0,4;
Lт – теоретична питома робота колеса, Дж/кг.
де ψ – коефіцієнт, яким оцінюється форма лопаті і якість її поверхні.
Для литих робочих коліс величину даного коефіцієнта можна визначити за формулою:
де k3 – коефіцієнт. Лежить в межах 0,55…0,65. Приймаємо k3 = 0,55.
***Примітка: це значення у всіх попередніх та наступних формулах відповідає значенню останнього наближення.
Ширина маточини робочого колеса Вк (див. рис. 1.) визначається з наступного співвідношення:
Відносні швидкості потоку рідини при вході на лопать робочого колеса обчислюється за формулами:
Після визначення необхідних швидкостей потоку рідини, будуємо трикутники швидкостей на вході в робоче колесо насосу (див. рис. 3.).
Рис. 3. Суміщені трикутники швидкостей на вході в робоче колесо насоса
Визначення колової швидкості потоку рідини на діаметрі D2, м/с.
Меридіанна складова абсолютної швидкості потоку рідини на виході з робочого колеса визначається з наступного співвідношення:
тож:
Визначення меридіанної
де k2 – коефіцієнт захаращення каналу колеса лопатями.
де ∆S2 – перетин лопаті на виході, нормальний до радіуса, м (див. рис. 1.).
де ∆2 – товщина лопаті на виході, м. Зазвичай ∆2 = 1…3 мм.
Приймаємо ∆2 = 1,2 мм.
Проекція абсолютної швидкості потоку рідини на окружну на виході з робочого колеса при скінченому числі лопатей визначається за формулою:
Визначення проекції абсолютної швидкості потоку рідини на окружну на виході з робочого колеса при нескінченному числі лопатей:
Відносна швидкість потоку рідини на виході з робочого колеса обчислюється за формулою:
Оптимальне співвідношення відносних швидкостей потоку рідини в робочому колесі зі скінченим числом лопатей (w1/w2)opt знаходиться з графіка (рис. 4.)
(w1/w2)opt = 3,166E-11 ns 6 - 1,812E-08 ns 6 + 4,228E-06 ns 4 - 5,150E-04 ns 3 + 3,464E-02 ns 2 - 1,231E+00 ns + 1,982E+01 = 1.542
Рис. 4. Залежність (w1/w2)opt від ns
Згідно з графіком оптимальне співвідношення відносних швидкостей буде дорівнювати 1,38.
Дійсне співвідношення відносних швидкостей потоку рідини в робочому колесі:
Дійсне співвідношення (w1/w2) задовольняє оптимальному значенню при β2 = 30°. Розрахункове значення кута β2 встановлене після ряду послідовних наближень. Відповідно і значення всіх параметрів і кутів приводиться в даному прикладі в останньому наближенні.
Відносна швидкість потоку рідини на виході з робочого колеса при нескінченній кількості лопатей обчислюється за формулою:
Після визначення колової швидкості u2 і проекцій абсолютної швидкості c2m, c2u, c2u∞ можуть бути побудовані трикутники швидкостей на виході з робочого колеса насосу для z = ∞ і z ≠ ∞ (див. рис. 5.).
Рис. 5. Суміщені трикутники швидкостей на виході з робочого колеса насоса
В результаті визначення основних параметрів робочого колеса насосу були встановлені наступні конструктивні числові значення, за якими можлива ескізна проробка робочого колеса:
Діаметр входу в робоче колесо D0 = 70,0 мм
Діаметр середньої вихідної кромки лопаті робочого колеса D1 = 70,0 мм
Товщина лопаті на вході в колесо ∆1 = 1,2 мм
Кут установки лопаті на вході β1 = 20°
Зовнішній діаметр робочого колеса D2 = 225 мм
Товщина лопаті на виході з колеса ∆2 = 1,2 мм
Кут установки лопаті на виході β2 = 30°.
3. Розрахунок і побудова меридіанного перерізу робочого колеса
*Особливістю зображення лопатей в меридіанному перерізі є те, що лопаті не розтинаються площиною, а в цій площині поєднуються їх вхідні і вихідні кромки. Контур меридіанного перерізу плавно міняється таким чином, щоб забезпечити плавний перехід меридіанної складової абсолютної швидкості від величини c1m до c2m по певному закону, який задається графіком.
Розрахунок меридіанного перерізу робочого колеса виконується в табличній формі. Таблиця 2 робиться як копія відповідної форми, що представлена в розрахунковій програмі на окремому листі.*
Побудова меридіанного перерізу робочого колеса (див. рис. 7.) виконується наступним чином. На лінії, яка перпендикулярна вісі робочого колеса, відкладаємо точки, які відповідають значенням радіусів R1, …, Rі,…, R2. Через ці точки ці точки проводимо відрізки, на яких відкладаємо значення ширини каналу відповідно b1, …, bі,…, b2. Потім на відрізках шириною bі, як на діаметрах, будуємо кола. Проводимо лінії, паралельні вісі робочого колеса і які відповідають діаметрам D0, dст, dв (див. рис. 1.). Після чого будуємо бокові стінки каналу, які огинають кола з діаметрами bі.
Таблиця 2. Розрахунок меридіанного перерізу робочого колеса
Параметр та одиниці виміру |
Найменування параметру, розрахункова формула |
Значення |
Примітка |
D1, м |
Діаметр середньої вихідної кромки лопаті робочого колеса |
0,07 |
|
D2, м |
Зовнішній діаметр робочого колеса |
0,225 |
|
i |
Кількість ділянок розбивки |
5 |
|
ΔR, м |
Крок по радіусу |
0,0155 |
|
bi, м |
Ширина каналу робочого колеса на різних діаметрах: |
0,013475 |
1 |
0,008694 |
а | ||
0,006222 |
б | ||
0,004733 |
в | ||
0,003749 |
г | ||
0,003058 |
2 | ||
Меридіанна складова абсолютної швидкості потоку рідини в районі повороту в робочому колесі |
2.48 |
1 | |
Меридіанна складова абсолютної швидкості потоку рідини на виході з робочого колеса з врахуванням коефіцієнта захаращення каналу колеса лопатями |
3.4 |
2 | |
Меридіанна складова абсолютної швидкості потоку рідини на різних діаметрах: |
2,664 |
а | |
2,848 |
б | ||
3,032 |
в | ||
3,216 |
г | ||
k |
Коефіцієнт лінійного рівняння: |
11,871 |
|
b |
Коефіцієнт лінійного рівняння: |
2,065 |
Таблиця 3. Результати розрахунку меридіанного перерізу робочого колеса
Радіуси, м |
R1 |
а |
б |
в |
г |
R2 |
|
0,0350 |
0,0505 |
0,0660 |
0,0815 |
0,0970 |
0,1125 | |
Ширини каналів, м |
0,0135 |
0,0087 |
0,0062 |
0,0047 |
0,0037 |
0,0031 |
b1 |
а |
б |
в |
г |
b2 |
Рис. 6. Графік зміни меридіанній складовій абсолютної швидкості по радіусу (з позначеннями радіусів і номерів ділянок розбиття)
Рис. 7. Меридіанний переріз робочого колеса
В результаті розрахунку меридіанного перерізу робочого колеса була отримана таблиця результатів (див. табл. 3.), за даними якої можлива його ескізна проробка.
4. Розрахунок і побудова середньо
Побудова середньої лінії лопаті в плані виконується по координатах точок, які лежачих на цій лінії. Положення цих точок визначається в циліндричній системі координат R – φ (див. рис. 8.). Розрахунок проводиться в табличній формі. Таблиця розрахунків та таблиця результатів розрахунку представлена як копія відповідної форми, що представлена в розрахунковій програмі на окремому листі. За таблицею результатів будуються точки на плані робочого колеса. Через ці точки проводиться локальна крива і визначається вид середньої лінії лопаті робочого колеса в плані.
Рис. 8. Схема побудови лопаті робочого колеса насосу в плані
Таблиця 4. Розрахунок середньої лінії лопаті робочого колеса в плані
Параметр та одиниці виміру |
Найменування параметру, розрахункова формула |
Значення |
Примітка |
D1, м |
Діаметр середньої вихідної кромки лопаті робочого колеса |
0,07 |
|
D2, м |
Зовнішній діаметр робочого колеса |
0,225 |
|
i |
Кількість ділянок розбивки |
10 |
|
Δ R, м |
Крок по радіусу |
0,0775 |
|
R1, м |
Радіус середньої вихідної кромки лопаті робочого колеса |
0,0350 |
1 |
Rі, м |
Проміжні значення радіусів:
|
0,0428 |
а |
0,0505 |
б | ||
0,0583 |
в | ||
0,0660 |
г | ||
0,0738 |
д | ||
0,0815 |
е | ||
0,0893 |
ж | ||
0,0970 |
з | ||
0,1048 |
и | ||
R2, м |
Зовнішній радіус робочого колеса |
0,1125 |
2 |
k |
Коефіцієнт лінійного рівняння для визначення сіm: |
-57.677 |
|
b |
Коефіцієнт лінійного рівняння для визначення сіm: |
5,53 |
|
с1m, м/с |
Меридіанна складова абсолютної швидкості потоку рідини на вході в робоче колесо |
4,76 |
1 |
сіm, м/с |
Проміжні значення меридіанної складової абсолютної швидкості потоку рідини в робочому колесі н різних радіусах:
|
4,76 |
а |
4,62 |
б | ||
4,48 |
в | ||
4.34 |
г | ||
4.20 |
д | ||
4.06 |
е | ||
3,92 |
ж | ||
3,78 |
з | ||
3,64 |
и | ||
с2m, м/с |
Меридіанна складова абсолютної швидкості потоку рідини на виході з робочого колеса |
3,57 |
2 |
k |
Коефіцієнт лінійного рівняння для визначення wі: |
-57.677 |
|
b |
Коефіцієнт лінійного рівняння для визначення wі: |
13.629 |
|
w1, м/с |
Відносна швидкість потоку рідини при вході на лопатку робочого колеса |
11.61 |
1 |
wі, м/с |
Проміжні значення відносної швидкості потоку рідини в робочому колесі на різних радіусах: |
11.163 |
а |
10.716 |
б | ||
10,269 |
в | ||
9.822 |
г | ||
9,375 |
д | ||
8,928 |
е | ||
8.481 |
ж | ||
8.034 |
з | ||
7.587 |
и | ||
w2∞, м/с |
Відносна швидкість потоку рідини на виході з робочого колеса при нескінченній кількості лопатей |
7.14 |
2 |