Розрахунок втрат в ущільненнях робочого колеса

Розрахунок ущільнень і осьової сили на ступиці виконується у такій послідовності.

1. Будують схему ущільнень і заздалегідь задають геометричні розміри ущільненнь і отворів, і визначають площі перерізів їх щілин.

 

Рис. 8.4. До розрахунку ущільнень радіально-осьового

робочого колеса:

а – траса протікань;

б – епюра тисків

 

2. Визначають абсолютні швидкості перед і за робочим колесом і їх складові: за (8.2) і (8.3) знаходять напіри перед входом в ущільнення ступиці і обода і на виході з них, а за (8.4) - напір, спрацьований над ступицею.

(8.2)

де Нст.1 - статичний напір; - абсолютна швидкість на вході; - окружна складова швидкості, визначається із основного рівняння турбіни при нормальному виході з робочого колеса, тобто при vu.вих=0; η - к.к.д. турбіни; - окружна швидкість; R1 - радіус на вході; - витратна складова швидкості у меридіальному напрямі (Q - витрата через турбіну).

Напір на виході із розвантажувальних отворів в точці 4 при z1=z4 рівний

(8.3)

де рат - атмосферний тиск; - абсолютна швидкість при нормальному виході v4= vz4; НS - висота відсмоктування; zн.а. – відмітка, від якої відраховується НS (у більшості випадків можна вважати zн.а.–z4≈0).

Напір або енергія, що втрачається потоком над ступицею, визначається як різниця енергій на вході (точка 1) і виході (точка 4)

(8.4)

де відповідно на вході (точка 1) і виході (точка 4) проточного тракту: Н1 і Н4 - напіри; р1 і р4 - тиски; v1 і v4 - швидкості течії; z1 і z4 - відмітки над умовним рівнем.

 

3. Визначають за (8.5) коефіцієнт втрат в ущільненнях ступиці і обода, за (8.6) - коефіцієнт втрат в отворах ступиць за (8.7) – втрати напору над ступицею, за (8.8) - напір, спрацьований в ущільненнях, і за (8.9) - спрацьований в отворах; за (8.10) перевіряють напір над ступицею.

(8.5)

(8.6)

де – коефіцієнт опору по довжині; lщ - сумарна довжина щілини; 2Δщ – гідравлічний радіус щілини; dот - діаметр отворів ступиць; zкан - число канавок.

(8.7)

де і – окружні середні швидкості обертання води у порожнині над робочим колесом, прийняті рівними половині окружної швидкості обертів ступиці з припущенням, що фактичні швидкості в об'ємі, що обертається, змінюються за лінійним законом від 0 до uст;

(8.8)

(8.9)

(8.10)

4. Відповідно до (8.11) підраховують коефіцієнти витрати в ущільненнях і отворах, а за (8.12) - витрату і швидкості течії через ступицю і обід. Якщо потрібно, за отриманими значеннями швидкостей уточнюють величину λ і повторюють розрахунок.

(8.11)

(8.12)

де - коефіцієнт витрати; Fі - площа розрахункового перерізу у каналі, для якого визначається μі; ζущ і ζот - коефіцієнти втрат в ущільненнях ступиці і обода і в отворах ступиць.

5. Визначають за (8.13) осьову гідравлічну силу, що діє на ступицю, за (8.14) і (8.15) - тиск на кришку турбіни і на окружності довільного радіусу над ступицею.

(8.13)

(8.14)

(8.15)

де - напір на колі радіусом R1; напір над ступицею при R1=R2: h5=ΔН-hущ-h2-5­ – напір біля вала на радіусі R5; - напір параболоїда над ступицею; r - поточний радіус; R5=rв найменший радіус над ступицею; rв - радіус вала; Fст - площа ступиці; h1=ΔН-hущ - напір на радіусі R1; Рz.ос - осьова складова гідравлічної сили, що діє на обід; Rz1 - осьова складова гідравлічної сили, що діє на лопать; z - число лопатей.

6. Визначають за (8.16) коефіцієнт тертя при турбулентному режимі, і відповідно до (8.17) τ0; за (8.18) потужність тертя води, і за (8.19) – потужність, що викликана дотичними напругами, які виникають на поверхні стінки, що обертається, за (8.20) - потужність, втрачену на тертя об воду в ущільненнях обода і ступиці, а за (8.21) - сумарні втрати потужності в ущільненнях.

(8.16)

де - число Рейнольда;

(8.17)

(8.18)

де Rнр – зовнішній радіус плоскої поверхні ущільнення; ω - кутова швидкість;

(8.19)

де λ – коефіцієнт опору по довжині;

(8.20)

де ΔNтр.ст=(ΔNтр1-ΔNтр2)ст; ΔNтр.об=(ΔNтр1-ΔNтр2)об – відповідно, втрати на тертя об воду в ущільненні ступиці і обода;

(8.21)

де ΔQ - об'ємні втрати або протікання через ущільнення; Мтр - момент тертя поверхонь ущільнень об воду; Н - напір; ω - кутова швидкість обертів.

При проектуванні нових конструкційї ущільнення для чотирьох-п’яти значень довжини щілини lщ і зазорів Δщ визначають витрати і втрати потужності, будують графік, і за мінімумом втрат вибирають довжину щілини ущільнення.