Исследование влияния коэффициента скорости и числа каналов на потери в направляющем аппарате трубчатого типа

Объектом исследования является модель насоса КГТН 415-305А с диаметром рабочего колеса (РК) D 2 =150 мм. Быстроходность проточной части составляет n S ≈95. Подача Q=30 м³/ч, напор H=13 м, частота вращения РК n=2000 об/мин. В этом насосе используется трубчатый направляющий аппарат (ТНА), состоящий из расположенных в радиальной плоскости симметричных отверстий, осевые линии которых являются касательными к внутреннему диаметру направляющего аппарата (НА). Рассмотрены варианты ТНА с количеством отверстий Z 0 =9, 10, 11, 12 и 13 (табл. 1). На рис. 1 представлен ТНА с 12 каналами.

Таблица 1. Количество и диаметры проходных отверстий

Z 0	9	10	11	12	13
dсв, мм	12,1	11,45	10,93	10,46	10,06

Значение диаметра d св проходного отверстия рассчитано для постоянной скорости (м/с) в отверстии трубчатого аппарата:

V = Q =      0,00741      = ₇₂

3       n d 2в         3,14 - (0,01047) 2      ,

Z •------ 12 •----------------------

Рис. 1. Схема трубчатого направляющего аппарата КГТН 415-305А

Зная V 3 можно определить коэффициент скорости K c :

V 3 =К с 2g H ТЗ

К с

V 3

V 2gH ТЗ

7,2

V 2 . 9,81 - 13

= 0,45

Для проведения расчётов гидравлических качеств проточной части построены 3D-модели, соответствующие форме потока жидкости в подводе, РК и направляющем аппарате (рис. 2). Расчетные сетки, применяемые для данных моделей неструктурированные, ячейки в ядре потока представляют собой тетраэдры. Вблизи твердых стенок созданы слои призматических ячеек для достижения равномерной точности расчета в местах быстрого изменения параметров течения.

Расчет трехмерного вязкого течения проведен на основе решения уравнений Рейнольдса, для замыкания которых использована k-ε модель турбулентности. Расчет выполнен с использованием программного комплекса ANSYS CFX 13.

В качестве граничных условий на входе задавался массовый расход, соответствующий подаче насоса, на выходе – полное давление. Моделирование кавитационных явлений не производилось. Во всей расчётной области задавалась постоянная плотность среды. Для подтверждения правильности выбранных граничных условий, модели турбулентности и параметров сетки бы- ло проведено сравнение расчета с экспериментальными данными (рис. 3).

Рис. 2. Модель проточной части канальный ТНА имеет наименьшие гидравлические потери, большие напор и КПД по сравнению с другими вариантами.

Рис. 4. Относительные гидравлические потери в отводе с различными ТНА

Рис. 3. Сравнение расчета с экспериментом

Из рис. 3 видно, что кривые КПД и напора имеют схожий характер, а расхождение в районе оптимума составляет 3,5% и 4% соответственно. Значение КПД вычислено как произведение объемного, механического и гидравлического, причем первые два по эмпирическим зависимостям через коэффициент быстроходности, а гидравлический – по расчету в ANSYS CFX. По результатам расчетов проточных частей с различными ТНА построены характеристики относительных гидравлических потерь, напора и КПД, представленные на рис. 4, 5 и 6 соответственно. Из графиков можно сделать вывод о том, что 9

Следующим этапом исследовалось влияние коэффициента скорости на относительные гидравлические потери. Были построены расчетные модели для направляющих аппаратов с 12 каналами и различными коэффициентами скорости К с (табл. 2). По результатам расчетов построены графики относительных гидравлических потерь, напора и КПД, рис. 7, 8 и 9 соответственно. Из рис. 7 видно, что наименьшие потери наблюдаются для случая с К с =0,3. Также для этого варианта результаты расчета показывают увеличение напора на 0,5 м и КПД на 2%.

Таблица 2. Выбор диаметра отверстий в зависимости от K c

К с	0,3	0,4	0,45	0,5	0,6
V 3 , м/с	4,83	6,44	7,18	8,06	9,67
d св , мм	12,76	11,05	10,46	10,88	9,01

Рис. 7. Относительные гидравлические потери в отводах с различными К с

Рис. 9. Сравнение КПД при различных К с

Выводы: для насосов с n S ≈95 оптимальным является трубчатый направляющий аппарат с 9 каналами, а значение коэффициента скорости рекомендуется принимать 0,3.

Рис. 8. Напорные характеристики при различных К с

RESEARCH THE INFLUENCE OF SPEED COEFFICIENT ANDCHANNELS NUMBER ON LOSSES IN THE DIRECTING TUBULAR TYPE APPARATUS