Классификация водокольцевых насосов

Все водокольцевые насосы могут быть разделены на вакуумные насосы (ВН) и компрессоры (К). Ни конструктивно, ни по принципу работы они не отличаются друг от друга. Однако между ними имеются существенные различия [24J.

Вакуумные насосы работают в широком диапазоне давлений всасывания. Для отечественных ВЫ расчетным является режим вакуума, указанный в ОСТ 26−12−1113—74. Компрессор должен рассчитываться на определенную степень сжатия, поэтому расчетные условия ВЫ и К разные. Это определяет различную форму всасывающих и нагнетательных окон, разный оптимальный угол наклона рабочих лопаток, различное оптимальное количество подводимой жидкости и т. д.

Для вакуумного насоса при любой степени сжатия наибольший перепад давлений не превышает 0,1 МПа. У компрессора перепад давлений, воздействующий на элементы конструкции, значительно больше, поэтому и прочность узлов компрессора должна быть большей.

Увеличение вакуума при постоянной объемной производительности насоса приводит к снижению массовой производительности. Возрастание работы сжатия сопровождается снижением количества сжимаемого газа, в результате чего мощность ВН в широком диапазоне работы остается примерно постоянной. У компрессора же масса сжимаемого газа меняется незначительно, и рост степени сжатия приводит к резкому увеличению потребляемой мощности. При одинаковой объемной производительности мощность двигателя у компрессора в 1,5…2 раза больше, чем у ВН.

Давление на выходе вакуумного насоса не превышает барометрического, и водоотделитель ВН не находится под перепадом давлений. У компрессора водоотделитель находится под давлением и должен выполняться по соответствующим требованиям.

Все ВКН могут быть подразделены на машины с радиальным и машины с осевым подводом и отводом сжимаемого газа. Жидкость в насосе в процессе обновления уходит из рабочей полости через нагнетательные окна. В машине с осевым подводом и отводом газа окна располагаются в торцевых стенках. Положение внутренней поверхности жидкостного кольца определяется формой и расположением наружной кромки нагнетательного окна. Чем дальше оно находится от центра корпуса, тем тоньше будет жидкостное кольцо и тем больше объем газа, который перетекает в ячейках рабочего колеса из полости нагнетания в полость всасывания. В этой схеме объем неиспользуемого пространства в значительной степени зависит от точности изготовления нагнетательных окон. Незначительные отклонения в форме и расположении верхней кромки нагнетательных окон приводят к существенному изменению характеристик вакуумного насоса, особенно в области больших степеней повышения давления.

При радиальном подводе и отводе газа нагнетательные окна находятся в неподвижных конусах, расположенных под лопатками внутри рабочего колеса и являющихся как бы его втулкой. При истечении жидкости из рабочей полости жидкостное кольцо перекрывает наружную кромку этих окон. При цилиндрических конусах в такой схеме перетечка газа через неиспользуемое пространство вообще отсутствует. Если же угол наклона образующей конуса достаточно велик, то жидкость уходит только через верхнюю часть нагнетательного окна, а нижняя часть жидкостью не перекрывается. В этом случае объем неиспользуемого пространства изменяется незначительно. Поэтому характеристики вакуумного насоса с радиальным подводом и отводом газа являются более устойчивыми по отношению к форме и размерам нагнетательного окна.

В приведенной на рис. 4.1 схеме всасывание и нагнетание газа в течение одного оборота вала происходит один раз, такие насосы могут быть названы водокольцевыми машинами простого действия.

Для повышения производительности применяются машины двойного действия, у которых за один оборот совершается два цикла всасывания и нагнетания. Имеются машины двойного действия как с осевым подводом и отводом газа, так и с радиальным подводом и отводом газа. В ВКН двойного действия на одном и том же пространстве находится вдвое больше окон и расстояние между окнами меньше, соответственно снижается сопротивление перетеканию газа через торцевые зазоры из полости нагнетания в полость всасывания. При малых перепадах давления влияние этих перетечек несущественно, но при большой степени повышения давления их влияние на параметры машины резко возрастает. Рабочее колесо ВКН двойного действия имеет примерно вдвое больше лопаток для сохранения неизменным числа ячеек, приходящихся на один полный рабочий цикл. Толщина лопаток выбирается из технологических соображений, и поэтому загромождение рабочего пространства лопатками у ВКН двойного действия больше.

В ВКН 25…50% мощности идет на преодоление гидравлических сопротивлений, возникающих при движении жидкости. В машинах двойного действия за счет большей кривизны корпуса гидравлические потери несколько возрастают, но они приходятся на удвоенное число рабочих циклов. Поэтому относительная величина гидравлических потерь у них значительно меньше. Таким образом, производительность ВКН двойного действия возрастает почти вдвое по сравнению с машиной простого действия таких же габаритов. При малой степени повышения давления удельная мощность у этих машин меньше. Они эффективны при вакууме до 50…70%. При большем вакууме производительность падает, а удельная мощность резко возрастает. Предельно достижимый вакуум у этих машин меньше, чем у машин простого действия.

Водокольцевые насосы могут быть одно-, двухи многоступенчатыми. Двухступенчатые ВКН применяются для создания больших степеней сжатия. В одноступенчатом ВКН максимально достижимый вакуум при нулевой производительности и температуре подводимой воды 15 °C составляет 5… 10 кПа, а в двухступенчатых — 1,3…2,0 кПа.

ВКН различаются между собой по расположению всасывающих и нагнетательных окон. Для машин малой производительности с осевым газораспределением характерным является односторонний подвод и отвод газа. У машин средней производительности газ подводится с одной стороны, а отводится с другой. Это существенно упрощает конструкцию торцевых стенок, т. к. внутри каждой из них имеется только одна полость. У машин большой производительности длина рабочего колеса велика и для прохода сжимаемого газа необходимо максимально возможное раскрытие всасывающих и нагнетательных окон. У таких машин всасывающие и нагнетательные окна располагаются на каждой торцевой стенке. Разграничение между машинами малой, средней и большой производительности по расположению окон не является совершенно определенным, различные компании подходят к решению этого вопроса по-разному, но указанная тенденция имеется.

Рабочее колесо является основной деталью ВКН. От его конструкции и отличительных черт в значительной степени зависят характеристики вакуумного насоса и компрессора. Как и у центробежных насосов и компрессоров, рабочие колеса ВКН могут быть открытыми, полуоткрытыми и закрытыми. В отечественных машинах открытые с обеих сторон лопатки встречаются только в машинах малой производительности. Закрытые рабочие колеса, имеющие диски с обоих торцов, применяются в ВКН с радиальным подводом и отводом газа. Технология изготовления таких рабочих колес сложнее, т. к. значительно труднее произвести обработку поверхностей лопаток. Чаще всего они вообще не обрабатываются после литья. Основным назначением вспомогательных дисков является упрочение лопаток, поскольку при радиальном подводе жидкости консольное крепление лопаток оказывается недостаточным. Кроме того, у машин с закрытым рабочим колесом отсутствует перетечка газа из одной рабочей зоны в другую через торцевые зазоры. Это способствует увеличению эффективности ВКН.

Открытые рабочие колеса применяются при осевом подводе и отводе газа в машинах малой производительности и при двухцилиндровой компоновке. Как правило, у таких рабочих колес лопатки со свободного конца соединяются кольцом небольшого сечения для придания им дополнительной жесткости и прочности. Естественно, что машины с полуоткрытым рабочим колесом имеют односторонний подвод и отвод газа. Однако чаше всего применяются двусторонние рабочие колеса, у которых основной диск находится посередине. Такие рабочие колеса широко распространены у насосов как с осевым, так и с радиальным газораспределением. В отличие от центробежных насосов и компрессоров, рабочий процесс в каждой полости двустороннего рабочего колеса является изолированным. В этом смысле машины с двусторонним рабочим колесом очень близки к двухцилиндровой компоновке. Для обеих рабочих полостей общим является только жидкостное кольцо. Лопатки рабочего колеса могут быть либо радиальными, либо криволинейными. Исследования показали, что криволинейные лопатки, загнутые по направлению вращения, должны обеспечивать более высокий КПД машины [24]. Рабочие колеса машин с радиальным подводом и отводом газа имеют, как правило, криволинейные лопатки.

Еще одной характерной особенностью рабочих колес ВКН является наклон втулки у машин с осевым газораспределением (наклон конусов у машин с радиальным подводом и отводом газа). У открытых рабочих колес в основном цилиндрические втулки, небольшой угол наклона у них может существовать только из соображений технологической целесообразности (например, литейный уклон). У полуоткрытых и двусторонних рабочих колес угол наклона втулки определяется из конструктивных соображений. Цилиндрическая втулка обеспечивает больший объем ячеек рабочего колеса, что должно соответствовать большей производительности. Однако при недостаточно точном расположении всасывающих и нагнетательных окон образующееся «мертвое пространство» также имеет больший объем, в результате чего резко снижается производительность. У насосов с конической втулкой объем ячеек рабочего колеса меньше, но при смещении окон объем неиспользуемого пространства тоже намного меньше. Поэтому машины с конической втулкой рабочего колеса должны иметь характеристики, более устойчивые по отношению к режимным отклонениям.

Достижимый в ВКН вакуум ограничивается давлением насыщенных паров при температуре рабочей жидкости. При температуре 15 °C давление насыщенных паров воды примерно 2 кПа. При этом давлении вода закипает, и производительность ВКН падает до нуля. Для получения вакуума с давлением, меньшим давления насыщенных паров, в качестве первых ступеней ВКН применяют предвключенные воздушные эжекторы.

В водокольцевых компрессорах для получения высокой степени сжатия необходима большая окружная скорость рабочего колеса. Экономически это невыгодно, т. к. приводит к резкому росту гидравлических потерь. Существенное снижение этих потерь достигается в компрессорах с вращающимся корпусом, когда в неподвижном корпусе вращается полый цилиндр, а внутри него — рабочий ротор. Число оборотов цилиндра и ротора может быть одинаковым, но может и несколько различаться [22].