Несмотря на конструктивную простоту струйного насоса механизм преобразования энергии при его работе достаточно сложен.
Объяснение принципа его действия и методы расчета базируются на двух теориях:Согласно первой теории при взаимодействии активного потока с окружающей его жидкостью вследствие колебательного и вихревого движения частиц, происходит интенсивное пересмешивание и энергообмен между частицами с большей и меньшейэнергичми.
Процесс смешения сопровождается разрежением на входе в камеру смешения, в результате чего обеспечивается постоянное поступление в нее жидкости.
В камере смешения происходит дальнейший обмен энергией между частицами смешанного потока, что приводит к выравниванию поля скоростей по сечению в ее конце.
Движение смешанного потока по диффузору сопровождается преобразованием скоростного напора в потенциальный, а в связи с чем статическое давление возрастает.
Скорости частиц жидкости уменьшаются неравномерно, в пристенном слое это происходит более интенсивно.
Согласно теории растекания струи, вытекая из насадки струя испытывает по всей своей поверхности постоянное давление со стороны окружающей жидкости м растекается в камерк смешения. При этом поперечное сечение струи увеличивается, а скорость ее снижается. По поверхности раздела потоков возникают вихревые явления и образуется разрежение, в результате чего внутрь струи поступают частицы окружающей жидкости, которым сообщается энергия.
Далее процесс преобразования энергии происходит одинаково для обеих теорий.
На основании этих теорий различными авторами получены многочисленные расчеты зависимости, которые отражают идеализированные представления о процессах, происходящих в проточных частях струйного насоса и являются весьма приближенными. В связи с этим, при их проектировании определение оптимальных, с точки зрения энергетических качеств, неометрических
форм и размеров деталей проточной части представляет собой сложную техническую задачу, требующую в каждом конкретном случае использования данных динамически подобных моделей и натуральных образцов или проведения специальных эксперементальных исследований.Разнообразные условия применения струйных насосов в различных отраслях народного хозяйства способствовали созданию специальных конструкций, принципиально одинаковых, но приспособленным к конкретным условиям работы. Несмотря на многообразие условий их применения, для некоторых элементов струйного насоса всеже существуют общие закономерности расчета их размеров, обеспечивающие высокие значения их КПД.
Основными факторами, определяющими осевые и поперечные размеры струйного насоса, является вид транспортируемого вещества и соотношение между значениями рабочих исходных параметров.
Отсутствие надежной теории и метода расчета, позволяющих выбирать для различных условий оптимальные геометрические формы и размеры деталей проточной части, явились основанием для проведения широких эксперементальных исследований отечественных и зарубежных ученых.
В нашей стране работы по созданию и совершенствованию насосных установок со струйными насосами ведут научные коллективы ВНИИГидромаша, ВОДГОЕ, ВТИ, ДПИ, Карагандинского научно-исследовательского и проектного института и других организаций.
В результате проведенных исследований установлены закономерности влияния взаимного расположения элементов и соотношения их размеров на совершенство конструкций струйного насоса.
Рекомендации по изготовлению некоторых элементов струйных насосов являются противоречивыми, очевидно в силу того, что количественные значения рабочих и исходных параметров влияют на качественные характеристики этох элементов, и они оказывают положительные воздействия на энергетические качества чтруйных насосов в одних условиях и отрицательные в других.
Следует также отметить, что при экспериментах всегда имеется ряд факторов, которых экспериментатор не учитыват, но которые оказывают влияние на результаты испытаний, за счет чего преимущества и недостатки отдельных конструктивных элементов могут быть истолкованы неврно. В работе приводится серия примеров, противоречивых данных о влиянии размера и форм различных элементов на КПД струйных насосов.
Типичным примером могут служить рекомендации по выбору конструкции насадка. Исследованиями ВТИ установлено, что разделение рабочей воды на несколько струй в насадке приводит к увеличению экономичности струйного насоса на 30 – 35 % по стравнению с одноструйными соплами имеющими равную площадь, этот результат получен в лабораторной установке, а затем в промышленных условиях.
Исследования проводились для водовоздушного струйного насоса, где рабочим органом являлась вода, эквивалентный диаметр насадка при испытаниях составлял 20 мм,а минимальное расстояние между струями 2,5 мм.
Полученные экспериментальные данные противоречат результатам испытанияй, приведенным в работе, где испытывалось также четырехструйное сопло с эквивалентным диаметром 10,5 мм. В последней работе получен ощутимый энергетический выигрыш за счет применения многосоплового насадки.
Улучшение КПД в подвоздушном струйном насосе в литературе объясняют тем, что при истечении воды из четырехструйного сопла, струи имеют более благоприятную структуру для улучшения распада их на капли, а повышенный распад струи увеличивает ее эжектирующую способность. Для водоводяного струйного насоса это объяснение непригодно, так как многосисленными опытами установлено, что улучшение его гидродинамических качеств происходит при более “компактной” струе. В связи с чем, для получения “крмактных струй” отвестия насадков оканчиваются цилиндрическим участком длиной равной половине диаметра выходного отверстия сопла.
Улучшение КПД водоводяного струйного насоса может быть следствием более качественного энергообмена между рабочим и пассивным потоками, так как в струе с меньшим гидравлическим диаметром улучшается передача энергии из внутренней области струи к ее переферийным слоям и улучшается выравнивание полей скоростей по сечениям потока.
Тем не менее полученные эксперементальные данные недостаточны для выяснения механизма явления. Вполне возможно, что при других отношениях геометрических размеров многоструйного сопла млжно получить более высокие результаты. Установка нескольких сопел благоприятствует улучшению смешения рабочего и инжектируемого потока, а потому возможно уменьшение длины камеры смешения и получение при этом энергетического выигрыша за счет снижения потерь на трение по длине.
Увеличение расстояния между струями, которое изменяет профиль скоростей потока, может также способствовать повышению гидродинамических качеств струйных насосов.
Таким образом, на экономичность струйных насосов при использовании многоструйного сопла наиболее вероятное влияние могут оказать три фактора:
Сопло гидроструйного насоса расчитывают из условия обеспечения минимальных потерь напора при истечении из него рабочей струи.
Ранее применялись так называемые коноидальные насадки (сопла), внутренняя поверхность которых выполнялась по форме истекающей из них струй. Такие насадки способны обеспечить исключительно высокие значения коэффициента расхода (скорости ) – порядка 0,994. Однако вследствие сложности очертаний коноидальных насадков и трудности их изготовления они в последующем были почти полностью заменены коническими сходящимися соплами с небольшим цилиндрическим участком на выходе. Угол конусности этих насадков принимает около 13 - 14° , а длину цилиндрического участка на выходе не более (0,7 ¸
0,8)dс. Сопло такой формы обеспечивает коэффициент расхода m = 0,93 ¸ 0,97. Предпринимались попытки применения насадков с различными формами выходного отверстия: четырехструйной, звездообразной, кольцевой и тэпэ Однако в проведенных опытах эти насадки не дали каких-либо существенных преимуществ перед обычными коническими.Насадок с винтовым движением жидкости, предложенный Ю.М. Ермаковым, позволяет, по его мнению, увеличить коэффициент подсоса струйного насоса на 25 – 30 %. Было предложено изменение профиля сопла в насадках, а именно создание в нем винтового потока. Объяснял он это тем, что закрученная струя более плотна. Винтовой поток как бы концентрирует плотность струи и препятствует образованию поверхности разрывов. Немалую роль играет винтовое движение уменьшении толщины граничного слоя и уменьшение перепада скоростей по сечению потока, минимальные затраты энергии на поддержание своего состояние. Согласно проведенным испытаниям установлено также, что пропускная способность насадка с развернутыми овальными сечениями выше, чем цилиндрического. В настоящее время о систематических экспериментах со струйными насосами, оснащенными таким соплом, нам не известно.