Малогабаритна вихорева турбіна як привід гідродинамічного очисника в’язких рідин (стр. 2 из 5)
Очищення паливних, робочих, мастильних та спеціальних рідин – найважливіший шлях підвищення довговічності устаткування, а в деяких випадках – необхідна умова його функціонування. Підвищення в 2 рази крупності частин забруднень при тій же їхній масовій концентрації у РР в 8 разів знижує термін служби поршневих насосів. У той же час для зниження цієї крупності в 2 рази потрібне п'ятикратне збільшення витрат на очищення. За умов високої вихідної забрудненості, витрати для одержання необхідної чистоти РР можуть перевищити вартість самої машини. Тому варто шукати нові схеми очищення, які дозволять очищати від механічних домішок РР будь-якого забруднення без значних додаткових витрат.
У ДГМІ були розроблені принципово нові, так звані гідродинамічні, очисники, котрі відповідають цим вимогам і які знайшли досить широке застосування у промисловості. До таких очисників відносяться роторні гідродинамічні очисники. Їхнє застосування в багатьох випадках стримується неможливістю підведення або застосування стороннього (не за рахунок рідини, яка очищається,) джерела енергії. Як уже відзначалось, аналіз показав, що найбільш раціональне у цих умовах використання вихоревої турбіни як приводу.
Після розгляду класифікації вихоревих машин, їхніх переваг і недоліків, був визначений найбільш раціональний тип ВТ, який відповідає умовам роботи приводу роторного гідродинамічного очисника. Ця ВТ має РК закритого типу з бічним розташуванням каналу круглого перерізу і плоскими радіальними лопатками. Вона складається з РК 1 з радіальними, рівномірно розташованими по окружності лопатками 2. Колесо обертається у корпусі з малими торцевими і периферійним зазорами. Рідина надходить у турбіну через вхідний патрубок 3, і виходить через вихідний патрубок 4. Вхідний і вихідний патрубки розділені спеціальною перемичкою (відсікачем) 5, яка служить ущільненням між напірною і всмоктувальною порожнинами. Для протікання рідини у корпусі турбіни виконаний канал 6.
Рис. 2 – Схема вихоревої турбіни
Відсутність надійних теоретичних методів дослідження потоку у каналах ВТ, а також докладних експериментальних даних про структуру потоку в усіх елементах проточної частини ВТ, змушує використовувати при розробці розрахункових методів для визначення основних гідродинамічних характеристик ВТ різні фізичні моделі вихоревих машин – гіпотези робочого процесу. Відомо декілька таких гіпотез, що умовно можуть бути розділені на два класи: турбулентні і регенеративні. У математичних моделях, заснованих на турбулентній гіпотезі, передбачається неупорядкований процес обміну кінетичною енергією між РК і РР. При цьому заперечується упорядкований характер руху, як у РК, так і у робочому каналі, і визнається лише організований рух рідини в окружному напрямку у робочому каналі. Регенеративна гіпотеза припускає, що основу робочого процесу вихоревої машини складає організована течія потоку з спіралеподібними лініями струму, які захоплюють як РК, так і робочий канал.
Кожна гіпотеза робочого процесу зокрема має свої плюси і мінуси, але жодна з них не здатна в достатній мірі описати всі процеси, котрі протікають у проточній частині ВТ. Практично в них не говориться про наявність у міжлопатковому просторі РК поперечного вихору, а тим більше про те, який вплив він оказує на передачу енергії від потоку РР до РК турбіни.
Дослідженням роторних гідродинамічних очисників присвячені роботи З.Л. Фінкельштейна, В.П. Коваленка, Є.А. Полякова та ін., але в цих роботах не розглядалися процеси систем очисник-привід.
Дослідженням течії турбулентних струменів займався Г.Н. Абрамович, однак його роботи не стосувалися якихось конкретних гідравлічних машин.
Передача енергії поперечними вихрами у вихоревих машинах досліджувалася Г.Т. Березюком, С.С. Руднєвим, О.В. Байбаковим, І.О. Ковальовим, А.О. Євтушенко, В.О. Соляником та ін. Велику роль у розвитку теорії ВТ зіграли роботи С.М. Ванєєва.
У цих роботах, на нашу думку, недостатньо уваги надано впливу в'язкості РР, зменшенню габаритних розмірів і розмірів проточних частин ВТ.
У другому розділі наведені результати теоретичних досліджень малогабаритної ВТ з бічним розташуванням каналу.
Використання теорії турбулентних струменів дозволило зробити подальший розвиток теорії робочого процесу ВТ з бічним розташуванням каналу, який визначає механізм утворення крутного моменту на РК турбіни.
Створенню крутного моменту на РК ВТ сприяють наступні фактори:
– в’язкісно-рідинне тертя, яке виникає між рідиною, яка рухається у каналі, і рідиною, яка знаходиться у міжлопатковому просторі РК. В результаті цього у міжлопатковому просторі РК утворюється поперечний вихор, який взаємодіє з робочою поверхнею лопатки;
– гідродинамічна зміна моменту кількості руху при внутрішній циркуляції рідини з кільцевого каналу у РК і знову в канал (вихоревий рух у меридіональній площині). При цьому рідина входить у РК на більшому радіусі і виходить з нього на меншому.
Принцип дії ВТ полягає у наступному: рідина, яка тече каналом, передає енергію РК, завдяки тому, що її окружна швидкість більша від окружної швидкості колеса. При цьому рідина рухається по складній спіралеподібній траєкторії, яка захоплює як область РК, так і бічний канал, і багаторазово взаємодіє з лопатками РК. Рух її можна подати як накладення трьох обертальних рухів (див. рис. 3). Перший – обертання навколо осі турбіни. Другий – обертання в меридіональному перерізі проточної частини ВТ навколо деякого центра, уздовж лопаток РК (подовжній вихор). Третій – поперечне обертання в меридіональній площині (поперечний вихор), яке виникає в результаті взаємодії потоку рідини, яка рухається у каналі, з рідиною, котра знаходиться у міжлопатковому просторі РК.
Рис. 3 – Схема течії рідини у проточній частині ВТ
Крутний момент, який виникає на РК турбіни, умовно поділений на дві складові: активний і реактивний моменти. Активний момент виникає при різкому гальмуванні потоку рідини в момент входження її в міжлопатковий простір РК. Реактивний момент виникає при подальшому русі рідини в міжлопатковому просторі уздовж лопаток РК турбіни.
Для визначення причини утворення поперечного вихору, його геометричних і кінематичних параметрів, розроблена модель течії рідини в поперечній площині каналу ВТ, яка подана на рис. 4.
Рис. 4 – Схема течії рідини в міжлопатковому просторі колеса ВТ
Потік рідини, який рухається у каналі (див. рис. 4), взаємодіє як з колесом, так і з рідиною, яка знаходиться між лопатками. У результаті взаємодії цій частці рідини передається рух. При цьому швидкість рідини менша від швидкості основного потоку, але більша від швидкості колеса. Це приводить до виникнення додаткової взаємодії рідини з робочою поверхнею лопатки, тобто до появи активної складової крутного моменту. Цю течію можна порівняти з течією у каналі за погано обтічним тілом. Така течія характеризується наявністю циркуляційної зони. Визначення раціонального співвідношення ширини і довжини міжлопаткового простору приведе до зниження втрат і збільшення ефективності роботи турбіни.
Вхідний потік у перерізі КК` має постійну швидкість
(див. рис. 4). На межі взаємодії потоку з рідиною, яка знаходиться у міжлопатковому просторі, виникає турбулентний прикордонний шар. Зовнішня межа цього шару позначена лінією 0–1, а внутрішня межа – лінією 0–2. Поле швидкості в поперечному перерізі складається з ділянок постійної швидкості ( 
; 
), перехідної зони, тобто турбулентного прикордонного шару, і двох ділянок, утворених прикордонними шарами на стінках каналу і колеса, у яких швидкість змінюється від 
або 
до нуля. Через поверхню 0–4 відбувається перетік рідини з області зворотного струму в область прямого струму, а через поверхню 4-N – у протилежному напрямку. Вище лінії 0–4-N подовжні складові швидкості потоку у прикордонному шарі позитивні, а нижче її – негативні. На лінії нульових значень подовжньої швидкості 0–4-N існують тільки поперечні швидкості. Лінія 0–3-N – межа постійної маси: усі лінії струму, які лежать нижче межі постійної маси 0–3-N, є замкнутими кривими, тобто утворюють циркуляційну зону, яка складається з двох ділянок. Кінцем першої ділянки вважається переріз ММ`, у якому швидкість циркулюючої рідини в області як прямого, так і зворотного струму, досягає максимальної величини.Для визначення першої ділянки циркуляційної зони прийняті наступні допущення:
1. Через великі швидкості течії рідини прикордонний шар на стінках каналу і колеса не враховується.
2. У силу безперервності процесу, статичний тиск на ділянці між двома сусідніми лопатками уздовж осі Y (див. рис. 4) залишається постійним.
3. Профіль швидкості у прикордонному шарі визначається виразом:
, (1)де
, (2)де у1, у2, u1, u2 – значення координат межі 0–1 та 0–2 турбулентного прикордонного шару і величин подовжніх швидкостей на них відповідно; y, u – значення проміжної координати