У результаті теоретичних та експериментальних досліджень розроблена методика розрахунку параметрів гідравлічного приводу вихоревого типу та роторного гідродинамічного очисника, побудовані їхні спільні характеристики.
Ключові слова: вихорева турбіна, робочий процес, методика розрахунку, гідравлічний привод вихоревого типу, гідродинамічний очисник.
Cheban V.G. The small-sized rotational turbine as a driving of hydrodynamic purifier of thick liquids. – The manuscript.
Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science in speciality 05.05.17 – «Hydraulic machines and hydraulic and pneumatic units». – Sumy State University, Sumy, 2004.
The thesis is dedicated to a question of making of a hydraulic driving of a rotational type for a rotary hydrodynamic purifier working in environments dangerous on detonatings and fires or in conditions of restricted space. As a driving of a hydrodynamic purifier the rotational turbine is applied for the first time. Distinctive features of this rotational turbine are: first, small sizes of a flowing part; secondly, work on a tenacious hydraulic fluid.
The theoretical studies have demonstrated, that the major role in working process of the rotational turbine is played by transversal curls. For determine of the reason of formation of a transversal curl, its arguments the model of current of a fluid in a transversal plain of the channel of the rotational turbine is designed. The equation for determine of rational spacing interval between vanes is obtained. The calculated scheme of determine of the basic energy performances of the rotational turbine is constructed. The structure of power losses is defined. The equation for determine of influencing of the nozzle device is obtained.
The experimental studies have affirmed veracity of scientific-methodical results and have allowed to elaborate the practical recommendations for projection of rotational turbines.
As a result of theoretical and experimental studies the method of calculation of arguments of a hydraulic driving of a rotational type and rotary hydrodynamic purifier is created, their share performances are constructed.
Key words: rotational turbine, working process, method of calculation, hydraulic driving of a rotational type, hydrodynamic purifier.
Чебан В.Г. Малогабаритная вихревая турбина как привод гидродинамического очистителя вязких жидкостей. – Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.17 – «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты». – Сумской государственный университет, Сумы, 2004.
Диссертация посвящена актуальному вопросу создания гидравлического привода вихревого типа для роторного гидродинамического очистителя, работающего во взрыво – пожароопасных средах и в условиях стесненного пространства. Для этого разработаны соответствующие теоретические основы и методика расчета геометрических параметров и энергетических характеристик гидравлического привода вихревого типа и очистителя в целом.
В качестве привода гидродинамического очистителя вихревая турбина применена впервые. Выбор типа вихревой турбины был произведен из условий обеспечения требуемых показателей работы очистителя, компактности привода, простоты его изготовления и низкой стоимости. Наиболее рациональный тип – вихревая турбина, имеющая рабочее колесо закрытого типа с боковым расположением канала круглого сечения и плоскими радиальными лопатками. Ее отличительными особенностями являются: во-первых, малые размеры проточной части; во-вторых, работа на вязкой рабочей жидкости. Это существенно усложнило условия работы турбины, перераспределило влияние различных факторов на процесс передачи энергии и структуру потерь.
После изучения существующих теорий рабочего процесса вихревых турбин было установлено, что ни одна из них полностью не раскрывает все факторы, влияющие на процесс передачи энергии от потока жидкости к рабочему колесу. Теоретические исследования доказали, что большую роль в рабочем процессе вихревой турбины играют поперечные вихри. Они возникают в межлопаточном пространстве рабочего колеса, вследствие вязкостно-жидкостного трения между потоком жидкости в канале и жидкостью, находящейся в данный момент между лопатками колеса.
Для более полного раскрытия процессов, протекающих в проточной части вихревой турбине, крутящий момент, возникающий на рабочем колесе, условно был поделен на две составляющие: активный и реактивный моменты. Это позволило создать расчетную схему вихревой турбины.
Для определения причины образования поперечного вихря, его геометрических и кинематических параметров разработана модель течения жидкости в поперечной плоскости канала вихревой турбины. Используя теорию турбулентных струй, получены основные зависимости такого течения. Установлено, что для выполнения условия минимальной потери энергии на вихреобразование расстояние между лопатками на колесе должно быть равно полной длине циркуляционной зоны. При увеличении длины межлопаточного канала возникает вторичная циркуляционная зона, что резко ухудшает энергетические показатели турбины из-за увеличения потерь на создание вторичных вихрей. При уменьшении длины межлопаточного канала возрастает величина крутящего момента, с одновременным увеличением потерь из-за стеснения потока на входе в колесо. Для повышения крутящего момента расстояние между лопатками не должно превышать длины первого участка циркуляционной зоны.
Определено рациональное расстояние между лопатками на рабочем колесе для получения максимального значения активного момента. Он возникает в результате взаимодействия поперечных вихрей с рабочей поверхностью лопаток. Для этого был введен безразмерный коэффициент, учитывающий создание активного момента на рабочем колесе, и получено выражение для нахождения его значений.
Создана расчетная схема определения основных энергетических характеристик вихревой турбины с боковым расположением канала. Получена зависимость теоретического КПД рабочего процесса от коэффициента скорости, показывающая насколько рабочий процесс вихревых турбин существенно отличается от рабочего процесса машин динамического принципа действия. Определена структура потерь энергии в вихревой турбине. Установлено, что наибольшее значение имеют потери, обусловленные сопротивлением вращению рабочего колеса турбины в среде вязкой жидкости.
Получено выражение для определения дополнительного крутящего момента на рабочем колесе, возникающего вследствие взаимодействия струи жидкости, вытекающей из сопла, с лопатками рабочего колеса.
Экспериментальные исследования подтвердили достоверность научно-методических результатов, полученных в ходе теоретических исследований. После обработки экспериментальных данных были построены зависимости, определяющие влияние геометрических параметров вихревой турбины и соплового аппарата на энергетические характеристики привода. Даны практические рекомендации по проектированию вихревых турбин. Они представлены в виде таблицы наиболее рациональных геометрических параметров вихревой турбины и соплового аппарата, обеспечивающие эффективную работу привода.
На основе созданной расчетной схемы, а также с учетом существующих методик расчета гидродинамических очистителей разработана методика расчета параметров гидравлического привода вихревого типа и роторного гидродинамического очистителя, построены их совместные характеристики. Основные результаты методики проверены на экспериментальном образце вихревой турбины. Расхождения между теоретическим и экспериментальным способами определения скорости вращения фильтроэлемента гидродинамического очистителя составили не более 20–25%. Результаты проверки позволяют рекомендовать методику к практическому применению.
Результаты исследования могут быть использованы при разработке и изготовлении рабочих колес вихревых машин, центробежных насосов и турбокомпрессоров.
Результаты диссертационной работы внедрены на промышленном предприятии ОАО «Снежнянскхиммаш» (г. Снежное, Украина) и в учебном процессе Донбасского горно-металлургического института.
Ключевые слова: вихревая турбина, рабочий процесс, методика расчета, гидравлический привод вихревого типа, гидродинамический очиститель.