Агрегат питания с регулируемым струйным насосом

Известны несколько способов изменения подачи нерегулируемых насосов. [1–4]. Распространенным является дроссельное регулирование [1, 2]. Схема включения дросселя в состав агрегата питания показана на рис. 1 а. При открытом дросселе часть потока жидкости с расходом Q поступает в гидросистему, а другая часть с расходом Q 1 через дроссель поступает на вход основного насоса. Изменяя площадь проходного сечения дросселя, можно регулировать подачу агрегата питания. Достоинством дроссельного регулирования подачи является простота и высокая надежность, недостатком – невысокая эффективность из-за необратимой трансформации части механической энергии потока жидкости в тепло.

а)

б)

Рис. 1. Схемы агрегата питания гидросистемы

Уменьшить потери удельной механической энергии и сохранить простоту и надежность дроссельного регулирования подачи агрегата питания можно, заменив дроссель струйным насосом с регулируемой площадью выходного сечения сопла [5–7]. Струйный насос (эжектор) прост по конструкции, работает в широком диапазоне изменения параметров жидкостей, используется

Расчет и конструирование

в различных отраслях народного хозяйства: строительной, ракетно-космической и авиационной, химической и нефтегазовой и др. [8–12] Схема такого струйного насоса показана на рис. 2, а схема агрегата питания с регулируемым струйным насосом – на рис. 1, б. Струйный насос состоит из сопла 1, приемной 2 и смесительной 3 камер, диффузора 4. Изменение расхода активного (высоконапорного) потока осуществляется иглой 5, которая своей конической частью перекрывает отверстие в сопловом устройстве 1. Высоконапорная жидкость в количестве Q ₁ подводится к соплу по ответвлению из напорного патрубка основного насоса, а низконапорная – пассивная жидкость подводится к приёмной камере по сливной магистрали гидросистемы (от потребителя) (рис. 1, б). В смесительной камере происходит энергообмен между активным и пассивным потоками, суммарный поток Q H = Q 1 + Q эжектором с напором H подается на вход основного насоса. Изменение подачи жидкости Q агрегатом питания осуществляется регулированием проходного сечения сопла эжектора. При полном открытии сопла весь поток (или его часть) от основного насоса возвращается через эжектор на его вход, минуя гидросистему. При закрытии проходного сечения сопла вся подача основного насоса поступает в гидросистему (потребителю). В агрегате питания с регулируемым струйным насосом напор Н = Н 1 – Н 2 равен сумме напоров основного насоса Н_Н = H 7 - H 6 и эжектора Н_Э = H 5 - Н 2 .

Рис. 2. Схема струйного насоса с регулируемой площадью активной струи

Если напоры Н агрегатов питания гидросистемы с дроссельным и эжекторным исполнениями будут одни и те же, то потребный напор основного насоса H H = H - H_Э в агрегате с регулируемым эжектором будет меньше. Следовательно, меньшей будет мощность на приводе основного насоса. Вместе с тем повышение давления в линии всасывания насоса создаёт условия для его бескавитационной работы.

Определим увеличение КПД агрегата питания при использовании струйного насоса вместо дросселя. Эффективность работы агрегата оценим внутренним КПД п, равным отношению полез- ной мощности агрегата N к гидравлической мощности основного насоса NH

= N = р gQ H = Q H

NН  р gQ HHH q hhh где р - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения.

Проанализируем работу агрегатов питания в безразмерных координатах, пренебрегая потерями напора в соединительных линиях. В качестве исходных (базовых) величин примем подачу основного насоса QН и его напор НН. Тогда КПД агрегата питания п = qh,

QH где q = -^- и h =--безразмерные подача и напор агрегата питания.

Q _H     H_H

Напор агрегата питания с регулируемым струйным насосом H = HH + Hэ или в безразмер- ных координатах

h =

.

^{1 -} h Э

Здесь hЭ = Нэ / (H1 - H2) = Нэ / H - безразмерный напор струйного насоса, то есть напор, выра- женный в долях располагаемого напора активной струи. Исследованиями [13–16] установлено, что относительной напор эжектора hЭ в основном зависит от относительных подачи q и площади живого сечения активной струи Q = Ао / A3 (см. рис. 2). Взаимосвязь безразмерных параметров для струйного насоса с цилиндрической рабочей камерой описывается уравнением [12]:

h Э =

1 -^1 -П

-

Q

q

(1 -Q)-(1- q),

^>-^ 23

Q- q

(1-Q)(1 - q)

1 +Z 10

- ( Z 34 +Z 45

k 1 - q

Здесь ζ 10 , ζ 23 , ζ 34 , ζ 45 – коэффициенты сопротивления соответственно активного и пассивного сопел, смесительной камеры и диффузора, А 0 – площадь живого сечения струи активного потока за соплом, А 3 – площадь живого сечения камеры смешения.

Соотношения (2) и (3) являются выражением безразмерной напорной характеристики агрегата питания со струйным насосом. Они позволяют рассчитать энергетические характеристики и определить КПД агрегата [17, 18].

Безразличные напорные характеристики установки со струйным насосом показаны на рис. 3 сплошными линиями. Характеристики рассчитывались при коэффициентах сопротивления Z 10 = Z 23 = 0,0664; ^ 34 + Z 45 = 0,24 [19, 20]. Сопоставление характеристик приводит к следующим выводам.

Рис. 3. Характеристики агрегата питания: 1 – напорная характеристика при дроссельном регулировании подачи; 2–7 – напорные (2–5) и экстремальные (6–7) характеристики агрегата со струйным насосом. Линия 2 - П = 0,3; линия 3 - Q = 0,4; линия 4 - Q = 0,6; линия 5 - Q = 0,8

• 1.    При любой относительной площади сопла Q нулевой подаче агрегата питания соответствует наибольший безразмерный напор h_m . C увеличением относительной подачи q напор h уменьшается и по достижении q = q m безразмерный напор h = 1, то есть на режиме максимальной подачи Q_m напор установки Н равен напору основного насоса H_H .

• 2.    Максимальная подача q_m агрегата питания с регулируемым струйным насосом зависит от соотношения площадей сопла и смесителя камеры Q . C уменьшением Q подача q m растет, и при Q = 0 q m = 1. Влияние основного геометрического параметра Q на максимальный безразмерный напор h m является противоположным: c увеличением Q напор h m растет.

• 3.    Для любой относительной подачи q существует оптимальное значение относительной площади струи Q _onT, при которой напор агрегата наибольший. Например, при q = 0,31 наибольший относительный напор h дост = 1,67 достигается при Q o _nT = 0,4.

• 4.    Кривая касательная к семейству характеристик h ( q ) представляет собой экстремальную напорную характеристику агрегата питания. Она отражает связь относительной подачи q с пре-

• Расчет и конструирование

дельно достижимым напором агрегата h д_ОСТ Экстремальная напорная характеристика h д _ОСТ ( q ) установки со струйным насосом и зависимость Ю _ОПТ ( q ) приведены на рис. 3.

Для агрегата питания с дроссельным регулированием подачи [1-3] напор Н равен напору основного насоса Нн, а подача жидкости потребителю

Q = Q н — Q 1 ,                                                                            (4)

где Q 1 = ц А д_Р ^2 g ( H 1 - Н ₂ ) = ц А д_Р ^2 g Н _н - расход через дроссель [2, 3], ц - коэффициент расхода дросселя, А дР - площадь проходного сечения дросселя.

Запишем выражение (4) в безразмерных координатах, после пробразований получим:

• ^{ц А} ДР V ^{2 g Н} Н

q = ¹ —---- = ^{1 -}v .

Q H

Здесь v - безразмерный параметр. При полностью закрытом дросселе вся подача насоса идет в гидросистему (потребителю) q = 1 и Т = 0; при полностью открытом дросселе вся жидкость проходит через него q = 0 и Т = 1.

Таким образом, для агрегата питания с дроссельным регулированием (см. рис. 1, а) выражение напорной характеристики представлено двумя условиями: h = 1 и q = 1 - Т . Совместное их решение на плоскости ( h ; q ) дает множество точек, лежавших на прямой h = 1, причем каждой точке прямой соответствует определенное значение параметра v (на рис. 3 характеристика h ( q ) показана линией 1).

Сопоставляя напорные характеристики агрегатов питания с дроссельным и эжекторным регулированием подачи (линии 1 и 6 на рис. 3), убеждаемся, что при всех относительных расходах 0 < q < 1 агрегат со струйным насосом обеспечивает относительные напоры h (q) более высокие, чем агрегат с дросселем.

Сравним эффективность работы агрегатов питания. Для агрегата с регулируемым струйным насосом максимальные значения КПД соответствуют точкам, лежащим на экстремальной характеристике h дocт ( q ) (линия 6). Для агрегата питании с дроссельным регулированием внутренний

КПД П = q , так как относительный напор h = 1.

Зависимости достижимого КПД агрегата питания п от относительной подачи q для двух схем регулирования иллюстрирует рис. 4. Сопоставление кривых п ( q ) свидетельствует о том, что эжекторная схема регулирования (линия 1) по сравнению с дроссельной (линия 2) во всем диапазоне безразмерных расходов q имеет большие значения КПД, причем в диапазоне расхода 0,2 <  q <  0,5 КПД увеличивается более чем на 20 %.

Рис. 4. Внутренний КПД агрегатов питания с дроссельным (1) и эжекторным (2) регулированием подачи

Выводы

Агрегат питания с эжекторным регулированием подачи сохраняет простоту и надёжность дроссельного регулирования, обладает по сравнению с последним более высоким КПД. В диапазоне относительных подач 0,2 <  q <  0,5 превышение КПД составляется 20 %.