Устройство, принцип работы, классификация, основные параметры и эксплуатация струйных насосов.

Струйным называется динамический насос трения, в котором жидкая среда перемещается внешним потоком жидкой среды. Для переме­щения перекачиваемой жидкой среды необходимо передать ей энергию внешнего потока.

Передача энергии от одного потока другому производится силами, действующими на поверхности рабочей струи.

У струйных насосов отсутствуют рабочий орган для силового взаимодействия с перемещаемым потоком и какая-либо кинематическая схема/ обязательная для механизма. Перемещение жидкости или газа и передача энергии от одного потока к другому в струйном аппарате происходит за счет кинетической струи рабочего тела обладающего необходимым энергетическим потенциалом, при непосредственном взаимодействии потоков. В струйных насосах термодинамические процессы не играют активной роли.

По агрегатному состоянию рабочего и перемещаемого тел струйные аппараты подразделяют на равнофазовые (жидкостно-жидкостные, газовогазовые и др.), разнофазовые (жидкостногазовые и газовожидкостные и др.) с изменяющейся фазностью одной из сред (пароводяные).

По способу подключения к потребителю струйные аппараты делят на эжекторы и инжекторы. Первые подключены к потребителю через их приемные патрубки и предназначены для удаления жидкости или газов от потребителя; вторые подключены к потребителю своими нагнетательными патрубками и служат для подачи жидкости или газа к потребителю.

На судах широкое распространение получили водоводяные эжекторы для осушения помещений, водоотлива, затопления, продувания испарителей. Пароводяные инжекторы используют в элементах деаэрационных устройств, для подачи воды во вспомогательные паровые котлы, а водоводяные инжекторы в качестве смесительных устройств и подпорных ступеней центробежных насосов. Названия эжекторов соответствуют их назначению: осушительный, водоотливной, затопления и т. д.

Принцип действия струйного насоса не требует наличия в его конструкции подвижных частей и рабочего органа для передачи энергии. Большие скорости рабочего тела и перемещаемой среды позволяют иметь малые массу и габарит насоса при очень больших подачах. К их достоинствам можно отнести и способность работы в затопленных помещениях.

Существенным недостатком этих насосов является очень малая экономичность. Коэффициент полезного действия водоводяном эжекторов находится в пределах 0,15-0,30.

Опытами установлено, что при некоторых условиях возможно понижение давления жидкости, как правило в горле эжектора, до давления ниже упругости ее паров при температуре жидкости. Это приводит к возникновению кавитации, которая вызывает дополнительные потери в насосе.

Потери на трение жидкости о стенки камеры смешения приближенно можно определить аналитическим путем, для количественной же оценки других видов потерь в камере смешения в настоящее время аналитических зависимостей еще нет: определенно известно только одно, что самые большие гидравлические потери в водоводяном эжекторе происходят в камере смешения.

В водоводяном эжекторе происходят три характерных процесса:

-процесс истечения рабочей воды из сопла;

-процесс смешения всасываемой и рабочей воды в камере смешения;

-процесс повышения давления потока в диффузоре.

Схемы струйных насосов весьма разнообразны. Однако в любом из них можно выделить следующие элементы: сопло высоконапорной (рабочей) струи 1 (рис. 54), приемную камеру низконапорной (перемещаемой) среды 2, камеру смешения 3 и диффузор 4, представляющий собой конус с углом раскрытия 6—8°. Камера смешения выполняется цилиндрической или имеет конический участок на входе (конфузор). Плоскость среза сопла находится во входном сечении камеры смешения или на некотором расстоянии от этого сечения.

Принцип действия струйного насоса заключается в следующем. Рабочая струя выходит из сопла с высокой скоростью. В результате взаимодействия сил турбулентного трения, вызывающего появление вихрей рабочей струи и перемещаемой среды, во входном сечении камеры смешения устанавливается давление p₁, которое ниже давления перемещаемой среды р_вх. Сложение вихревого и поступательного движения создает по теореме Кутта—Жуковского подъемную силу, поперечную по отношению к поступательному движению. В результате разности давлений перемещаемая среда поступает в камеру смешения через приемную камеру. В приемную камеру рабочая струя и переме­щаемая среда входят в виде двух раздельных потоков. В общем случае они могут различаться по скорости, температуре, плотности и агрегатному состоянию. При смешении турбулентных потоков эти параметры приобретают осредненные значения по живому сечению. Процесс смешения можно условно разделить на два этапа: начальный и основной. Им соответствуют два участка смесительной камеры — от сечения /—/ до //—// и от сечения //—// до ///—/// (см. рис. 54). Течение в начальном участке подобно течению затопленной турбулент­ной струи. В связи с наличием вихрей и турбулентных пульсаций потоки рабочей струи и перемещаемой среды образуют общую расширяющуюся зону смешения — турбулентный пограничный слой струи. На рис. 54 он обозначен двойной штриховкой.

Как и в свободной затопленной струе, кроме пограничного слоя, имеется уменьшающееся ядро скоростей, равных скорости истечений рабочей струи (см. эпюры на рис. 54). Благодаря тому что в пограничный слой непрерывно вовлекаются частицы из перемещаемой среды, расход в струе по мере удаления от среза сопла возрастает от сечения, /—/ до //—//. Таким образом, живое сечение //—// горловины служит ограничителем расширения струи. От среза сопла до сечения //—// на расстоянии l_с пограничный слой заполняет всю площадь сечения камеры смешения. Начиная с этого сечения прекращается вовлечение новых масс перемещаемой среды в струю. В сечении //—// скорость и другие параметры потока значительно изменяются по радиусу. Поступательная скорость вблизи стенок мала, а скорость вдоль оси камеры смешения (осевая скорость) постепенно уменьшается. За сечением //—// основного участка камеры происходит дальнейшее выравнивание параметров потока по сечению и в сечении ///—///, отстоящем от среза сопла на расстоянии L_K = 6 ÷ 10 диаметров камеры, получается достаточно однородная смесь сред с равномерным распределением параметров по сечению. Полное давление этой смеси р₃ по уравнению Бернулли тем выше по сравнению с давлением на входе p_вх, чем меньше относительная подача струйного насоса. Относительная подача — отношение количества перемещаемой среды Q к расходурабочей струи Q_p (q = Q / Q_p) — зависит от соотношения площадей сопел,

плотности сред, их начальных давлений и режима работы.

Скорость в сечении ///—/// обычно намного превосходит значения, приемлемые для движения потоков по трубам. Излишний скоростной напор преобразуется в давление с минимальными потерями, для чего и предусматривается диффузор. Давление на выходе из диффузора возрастает до значения p₄ в сечении IV—IV. Процессы смешения потоков рабочей струи и перемещаемой среды и обмен энергией между частицами происходят с большими потерями. Поэтому к. п. д. струйного насоса обычно не превышает 25%. Большое влияние на к. п. д. струйного насоса оказывает длина камеры смешения L_K. Если камера длинная, то на выходе из нее потери в диффузоре небольшие. Однако в длинной камере больше потери на смешение и потери на трение о стенки. Наоборот, при короткой камере больше потери в диффузоре и меньше потери на смешение. Для каждого конкретного случая существует оптимальная длина камеры смешения, которая определяется экспериментальным путем.

На рис. 54 показана эпюра среднего давления в струйном насосе. Из нее видно, что по мере удаления от входа давление падает, что связано с потерями в подводящей камере. Перед входом в камеру смешения происходит еще большее падение давления в связи с уменьшением площади сечения потока и увеличением скорости. В струйных насосах с цилиндрической камерой смешения минимальное давление наблюдается вблизи сечения /—/.

По площади сечения камеры смешения давление неравномерно: в области струи оно меньше, чем в области невозмущенного потока, вследствие наличия в ядре потока и в пограничном слое значительных турбулентных пульсаций. В камере смешения по мере удаления от ее начала давление постепенно возрастает до р₃. Дальнейшее увеличение давления происходит в диффузоре.

Рассмотренный рабочий процесс струйного насоса в общих чертах одинаков при работе на жидких, газообразных и разнофазовых потоках. Поэтому струйные насосы используют для перемещения жидкой среды жидкостью, газовой среды — газом, жидкости — газом и газа — жидкостью.

Различают следующие виды струйных насосов. По состоянию взаимодействующих сред—равнофазные, разнофазные и с изменяющейся фазностью одной из сред; по свойствам взаимодействующих сред — со сжимаемыми средами, с несжимаемыми и сжимаемо-несжимаемыми (разнофазные); по назначению — эжекторы, откачивающие среду из какого-либо резервуара, и инжекторы, подающие среду в резервуар.

Основное достоинство струйных насосов заключается в простоте конструкции. Они не имеют движущихся частей и, несмотря на низкий к. п. д., получили широкое применение. Струйные насосы удобно использовать в труднодоступных местах, они надежно работают на загрязненных и агрессивных жидкостях, обладают свойствами самовсасывания. В связи с простотой и компактностью струйные насосы часто применяют в качестве подпорных на входе в лопастные насосы для предотвращения кавитации. На речных судах струйные насосы ис­пользуют в качестве вакуум-насосов для удаления воздуха из крупных центробежных насосов перед их пуском (например, грунтовых насосов землесосов). Они применяются на танкерах для создания подпора по всасывающей линии грузовых насосов. Иногда струйные насосы используют в качестве грун­товых. Однако наиболее широко струйные насосы (эжекторы) применяются в осушитель­ной и водоотливной системах для удаления воды из трюмов. Рабочей средой в таких насосах служит вода. Ниже будут рассмотрены такие струйные насосы, сжимаемостью сред в которых можно пренебречь.

Конструкции струйных насосов весьма разнообразны. На рис. 55 показан водоструйный насос с боковым подводом, состоящим из приемного патрубка 2, сопла 5, камеры смешения 4 с коническим и цилиндрическим участками, диффузора и нагнетательного патрубка.

На рис. 56 показана конструкция эжектора АЦКБ, у которого рабочая струя и приемная камера соосны, что повышает к. п. д.

Рабочая жидкость подводится к соплу от эжектирующего насоса по нагнетательному патрубку 3 и, выходя из сопла, создает во всасывающем патрубке 2 разрежение, под действием которого всасываемая жидкость поступает в конфузор 4 аппарата. Пройдя горловину, смесь поступает в диффузор 1 и далее в нагнетательный патрубок.

Для перемещения жидкости с крупными твердыми включениями применяют эжекторы с кольцевым соплом, которое не стесняет площа­ди сечения