Автор: К.В. Ефанов (ООО «Гагарин-инжиниринг»).
Опубликовано в журнале Химическая техника №6/2018
В работе [1] отмечается, что при перемешивании жидкой среды в аппарате лопастной мешалкой в компонентах скорости потоков преобладает радиальная составляющая, и процесс перемешивания интенсифицируют путем увеличения осевой составляющей скорости за счет установки отражательных перегородок. Согласно теории идеального пропеллера, снижение КПД пропеллера в потоке жидкости происходит вследствие потерь при закручивании потока за пропеллером и при трении на лопастях. Соосная комбинация исключает закручивание потока, тем самым уменьшает воронку и приближает узел мешалок по эффективности к идеальному пропеллеру. Работа такого перемешивающего устройства будет более устойчивой за счет снижения гироскопического и реактивного моментов до нулевых значений.
Конструктивное оформление соосной схемы не вызывает сложностей компоновки привода передачи крутящего момента к мешалкам противоположного вращения. Конструкция привода аналогична стойкам приводов каталожных вертикальных аппаратов ЛенНИИхиммаша [2]. Отличие состоит в интегрированном в конструкцию стойки привода планетарном редукторе, раздающем крутящий момент на коаксиальные валы мешалок (рис. 1).
Для анализа конструкции и оценки КПД рассматриваемого перемешивающего устройства с соосными пропеллерными мешалками, могут быть применены результаты анализа взаимодействия лопасти со средой, полученные для гребных и воздушных винтов. За счет геометрической идентичности лопасти мешалок и винтов имеют близкие гидродинамические свойства, отличие состоит в наличии коаксиально мешалке корпуса аппарата. На основании этой идентичности и возможности применения теории идеального пропеллера в обоих случаях результаты для гребных и воздушных винтов корректны и для пропеллерных мешалок, но с учетом указанного ограничения.
Для гребных винтов в работе [3] приведено сравнение КПД соосных схем одинакового и противоположного вращения с одиночными винтами приведена следующая последовательность по снижению КПД винтов: соосные винты противоположного вращения, соосные винты одинакового вращения, одиночный винт. При этом мощность привода для всех вариантов винтов предполагается одинаковой.
Для воздушных винтов в работе [4] сравнивались КПД соосных винтов противоположного вращения с КПД двух винтов из этой комбинации по отдельности и с КПД одиночного винта такой же мощности и одинаковым суммарным числом лопастей. Отмечается, что КПД соосных винтов выше, чем КПД сравниваемых вариантов при условии высокой частоты вращения. Последнее условие объясняется тем, что с понижением окружных потерь возрастают осевые потери, для максимального индуктивного КПД требуется высокая частота вращения. Также отмечено, что тяга соосных винтов выше тяги одиночных винтов, соответствующих заданной мощности.
Перемешивающие устройства с пропеллерными мешалками для жидких сред работают при числах оборотов до 1500 об/мин [5], то есть являются высокооборотными устройствами. В связи с этим приведенные выше результаты сравнения КПД для соосных и одиночных винтов будут верны и для пропеллерных мешалок.
В работе [6] отмечено, что для воздушных винтов применение соосной комбинации целесообразно, начиная с числа лопастей от пяти и больше и коэффициентом покрытия лопастей от 0,4, а максимальная ширина лопасти не должна превышать 10% диаметра винта во избежание ухудшения аэродинамических качеств работы и для уменьшения массы. Таким образом, для мешалок с числом лопастей более пяти и высокой мощностью перемешивания целесообразно применять соосную комбинацию.
В работе [7] указано, что расстояние между осями соосных винтов с их разнесением в пределах диаметра винта не будет оказывать влияния на потери КПД тандема. Учитывая это, по расположению узла соосных мешалок в аппарате можно получить как конструкцию с взаимным упиранием втулок мешалок через подшипник (рис. 2), что соответствует положению мешалки однорядного устройства, так и конструкцию с разнесенными на валу мешалками, что соответствует положению мешалок двухрядного устройства. В результате этого на компоновку соосного устройства не накладывается ограничение, установленное для устройств с одиночными мешалками и состоящее в переходе от однорядного устройства к двухрядному при отношении высоты столба жидкости в аппарате к его диаметру при значении более 1,3 [8].
Таким образом, перемешивающее устройство с соосными пропеллерными мешалками противоположного вращения имеет существенные преимущества перед одно- и двухрядными перемешивающими устройствами с пропеллерными мешалками, при этом конструктивное оформление является вполне приемлемым. Процессы перемешивания с данным типом устройств рекомендуются к дальнейшему расчету методом конечных элементов, а сами устройства – к внедрению в конструкции аппаратов.
Список литературы
- Брагинский Л.Н. Перемешивание в жидких средах. Л.: Химия, 1984. 336 с.
- Пахомов Л.И. Вертикальные стальные сварные аппараты с перемешивающими устройствами. Каталог. 3-е изд. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1978. 28 с.
- Басин А.М. Теория и расчет гребных винтов. Л.: Судпромгиз, 1963. 760 с
- Майкапар Г.Г. Теория и аэродинамический расчет соосных винтов. Труды ЦАГИ №599. М.: Изд-во «Бюро новой техники НКАП», 1944. 69 с.
- Кафаров В.В. Процессы перемешивания в жидких средах. Москва: Госхимиздат, 1949. 88 с.
- Келдыш В.В. Проектирование и аэродинамический расчет воздушных винтов. Труды ЦАГИ №588. М.: Изд-во «Бюро новой техники НКАП», 1946. 65 с.
- Майкапар Г.Г. Соосные воздушные винты. Технические отчеты ЦАГИ №25. М.: Изд-во «Бюро новой техники НКАП», 1944. 17 с.
- Васильцов Э.А. Аппараты для перемешивания жидких сред: Справочное пособие. Л.: Машиностроение, 1979. 272 с.
