Работа насосов состоит из двух процессов: всасывания и нагнетания. Насос любого вида характеризуется следующими параметрами: высотой всасывания, высотой нагнетания, полным напором, подачей, мощностью и полным коэффициентом полезного действия (КПД).
Высота всасывания.
Различают теоретическую, вакуумметрическую и геометрическую (практическую) высоту всасывания.
Подъём воды во всасывающем патрубке насоса происходит под действием разности атмосферного давления и давления (разряжения) в самом насосе. Поэтому теоретическая высота всасывания насоса (Н т) равная 1-ой атмосфере и составляющая 10,33 метра водного столба, или 760 мм. ртутного столба, или 1 кгс/см 2 , или 10 5 Па практически не достижима. Улучшая конструкцию и материалы насоса, высоту его всасывания можно приближать к значению Н т.
Вакуумметрическая высота всасывания (Н в) – это величина вакуума создаваемая насосом, а в энергетическом смысле – это энергия, выраженная в метрах, которая необходима жидкости для подъёма на высоту всасывания. Н в зависит, как правило, от мощности насоса, создающего вакуум и измеряется в метрах водного столба. Показания вакуумметра, установленного на насосе, соответствуют вакуумметрической высоте всасывания. Для пожарного насоса серии ПН-40 и его аналогов Н в = 8 м. вод. ст.
Геометрической (практической) высотой всасывания Н г называется разность отметок между поверхностью воды и осью насоса. Геометрическая высота всасывания зависит от значений и величин нескольких параметров:
Прямое влияние на величину Н г оказывает атмосферное давление, которое заметно меняется в зависимости от высоты над уровнем моря. Например, при высоте над уровнем моря 0 м атмосферное давление равно 10,33 м. вод. ст., а на высоте над уровнем моря 2000 м – 7,95 м. вод. ст.
Н г сильно зависит от давления насыщенных паров всасываемой жидкости. Давление насыщенных паров – это давление, при котором жидкость при данной температуре закипает (речь идёт о давлении жидкости ниже атмосферного). Давление насыщенных паров и, следовательно, высота всасывания в значительной степени зависят от температуры и вида перекачиваемой жидкости. Известно, что с уменьшением давления понижается температура кипения жидкости. Если давление всасывания (оно естественно ниже атмосферного) Р вс будет ниже давления насыщенных паров всасываемой жидкости Р n , то начнется образование пара и произойдет срыв в работе насоса.
Таким образом, обязательным условием нормальной работы насоса является:
Р n < Р вс < Р атм
Например, при температуре воды 100 ºС Р n = Р атм = 1 кг/см 2 (10 м. вод. ст.), а при температуре воды 20 ºС Р n = 0,024 кг/см 2 (0,24 м. вод. ст.), следовательно, чем выше температура жидкости, тем сложнее забрать её насосом. С этим явлением связана кавитация – процесс образования пузырьков воздуха в жидкости. При кавитации происходит самовскипание жидкости, пузырьки пара увлекаются движущимся потоком и, встречая твёрдые поверхности корпуса и рабочего колеса, разрушаются ("схлопываются"). При этом выделятся большая энергия, из-за чего повреждаются и даже при длительном воздействии разрушаются поверхности внутренней полости насоса (явление кавитационной эрозии). Кавитация сопровождается шумом и треском внутри насоса. Во избежание преждевременного износа рабочих органов насоса не допускается его работа в кавитационном режиме.
Кавитационные явления могут возникать в случае работы насоса с большой геометрической высотой всасывания. Поэтому высота всасывания должна быть такой, при которой возникновение кавитации невозможно.
Максимальная допустимая высота всасывания может быть определена по формуле:
где: Р n – давление насыщенного пара;
γ – удельный вес жидкости;
h вс – потери напора во всасывающем трубопроводе;
ΔН – кавитационный запас.
Значение кавитационного запаса устанавливается таким, чтобы не было значительного снижения напора, и была ограничена скорость кавитационной эрозии. Например, для насосов серии ПН-40 кавитационный запас составляет 3 м.
Кавитационные явления могут также возникать при больших подачах насоса, вследствие понижения давления (увеличения вакуума) во входном патрубке насоса. Поэтому при появлении кавитации необходимо уменьшить подачу насоса.
Наконец, геометрическая высота всасывания зависит от потерь напора во всасывающей линии или величины преодолеваемого сопротивления во всасывающей линии.
h вс = S·Q 2 ,
где: S – сопротивление всасывающей линии;
Q – подача насоса.
Из всего сказанного следует, что геометрическая (практическая) высота всасывания Н г определятся выражением:
Н г = Н в – h вс – h рп – h р.атм,
где: Н в – вакууметрическая высота всасывания;
h вс – потери напора во всасываемой линии;
h рп – температурные потери напора (давление насыщенных паров);
h р.атм – потери напора, зависящие от высоты местности над уровнем моря.
Например, для пожарного насоса серии ПН-40 Н г практически не превышает 7 м при работе в нормальных условиях, т.е. при атмосферном давлении Р атм =1 кг/см 2 (10,33 м. вод. ст.) и температуре воды 20 °С.
Обычно допустимая высота всасывания указывается заводами-изготовителями насосов в паспортах изделий.
Высота нагнетания.
Различают геометрическую и манометрическую высоту нагнетания.
Геометрическая высота нагнетания – это расстояние в метрах по вертикали от оси насоса до наивысшей точки нагнетания Н н.
Манометрической высотой нагнетания называется давление, создаваемое насосом Н ман. Манометрическая высота нагнетания (показание манометра) всегда больше геометрической высоты нагнетания (реальной точки подачи жидкости) из-за возникающих потерь в напорной линии.
Н ман = Н н + h н,
где: h н – потери напора в напорной линии, h н = S·Q 2 ;
S – сопротивление напорной линии;
Q – подача насоса.
Для высоты нагнетания теоретически пределов не существует, а практически она ограничивается прочностью отдельных деталей насосов и трубопроводов, а также мощностью двигателей привода насосов.
Полный напор.
Полный напор, развиваемый насосом Н расходуется на подъем жидкости, преодоление сопротивлений во всасывающем и напорном трубопроводе и на создание свободного напора.
Н = Н г + h вс + h н + Н св
где: Н г – геометрическая высота подъема воды (м);
h вс + h н – потери напора во всасывающей и напорной линии (м);
Н св – свободный напор (м).
На практике полный напор, развиваемый насосом, оценивают по показаниям манометра и вакуумметра.
Подача насоса.
Подача насоса – это количество жидкости, перекачиваемое насосом в единицу времени. Различают массовую подачу (кг/с) и объёмную подачу (м 3 /мин или л/с). Чаще всего подачу пожарных насосов указывают в объёмных единицах: м 3 /мин или л/с.
Существует соотношение между количеством жидкости входящей в насос Q 1 и жидкости, выходящей из насоса Q 2:
Q 1 = Q 2 + Q у,
где: Q у – объёмные утечки жидкости через щелевые уплотнения.
Мощность насоса.
Рабочие органы насоса во время работы предают энергию потоку жидкости. Эта энергия подводится от двигателя.
Для правильной оценки энергетических показателей мотор-насосной установки следует различать полезную (эффективную) и потребляемую мощность.
Полезная (эффективная) мощность (Ne) насоса идет на совершение работы по перемещению определенного объема жидкости Q на высоту Н и определяется по формуле.
 |
где: ρ – плотность жидкости, кг/м 3 ;
g – ускорение свободного падения, м/с 2 ;
Q – подача насоса, м 3 /с;
Н – напор насоса, м.
Мощность, потребляемая насосом, всегда больше, чем полезная, т.к. часть энергии затрачивается на механические, гидравлические и объемные потери в насосе. Потребляемой мощностью называется мощность N, подводимая к рабочим органам насоса. Она определяется по формуле:
где: М – крутящий момент на валу насоса (двигателя), Н м;
ω – угловая скорость вращения вала, с -1 .
Полный КПД насоса.
При передаче энергии от насоса к перекачиваемой жидкости происходят объемные, гидравлические и механические потери энергии
Объёмный КПД.
Известно, что фактическая подача насоса всегда меньше теоретической подачи, т.е. количество жидкости выходящей из насоса всегда меньше количества жидкости входящей в насос. Это происходит вследствие:
§ просачивания жидкости через сальники, клапаны и поршни, причем степень просачивания зависит от точности изготовления и состояния указанных деталей насоса;
§ запоздания открытия и закрытия клапанов;
§ наличия воздуха в жидкости.
Величина объемного КПД характеризует степень герметичности насоса, и определяется по формуле:
где: Н – действительный (развиваемый) напор насоса;
ΔН – потери напора на преодоление сопротивлений внутри насоса;
Н + ΔН – теоретический напор насоса.
Механический КПД.
Механический КПД – это потери мощности на трение в подшипниках, уплотнениях вала и т.п. Значение механического КПД характеризует качество изготовления и рациональность конструкции подшипников, сальников (манжет) и других узлов, где происходит трение деталей.
Механический КПД определяют по формуле:
Технические требования к насосным агрегатам пожарных автомобилей
В связи с особенностями эксплуатации к насосным агрегатам пожарных автомобилей предъявляются следующие основные требования:
§ небольшие габаритные размеры и масса, что необходимо для рационального использования грузоподъемности и объема кузова пожарного автомобиля;
§ высокая надежность, в том числе при работе на загрязненной воде;
§ постоянная готовность к работе;
§ высокие кавитационные свойства;
§ пологая форма напорной характеристики, т. е. незначительное изменение напора насоса в диапазоне подач от нулевой до максимальной при постоянной частоте вращения (при крутопадающей форме напорной характеристики снижение подачи влечет за собой быстрое повышение напора, что может вызвать разрыв напорных рукавов, а повышение подачи – существенное снижение напора);
§ согласованность параметров насоса и двигателя, при отсутствии которой параметры насоса не могут быть реализованы на пожарном автомобиле;
§ минимальное время заполнения всасывающего трубопровода и насоса водой перед пуском с помощью вакуумной системы (не более 40 сек. с геометрической высоты всасывания не менее 7,5 м.);
§ простота и удобство управления насосной установкой;
§ возможность длительной непрерывной работы на максимальном режиме в установленном интервале температур окружающего воздуха (конструкция насосов нормального давления должна обеспечивать их непрерывную работу в номинальном режиме в течение не менее 6 ч., насосов высокого давления – не менее 2 ч.);
§ свободный доступ для технического обслуживания, его простота и удобство (отсутствие элементов, требующих периодической регулировки, минимальное число точек смазки и слива воды, возможность частичной разборки агрегатов непосредственно на пожарном автомобиле);
§ низкий уровень шума и отсутствие вибраций во время работы (средний уровень звука, создаваемый насосом при работе в номинальном режиме, должен быть не более 85 дБ.);
§ использование тех же сортов масел и смазок, какие применяются для агрегатов и узлов шасси пожарного автомобиля.
На пожарных автомобилях устанавливаются, как правило, насосы центробежного типа. Это обусловлено тем, что центробежные насосы обладают рядом важных достоинств: равномерностью подачи огнетушащих средств (подачей без пульсаций); способностью работать «на себя» (т.е. при перекрытии пожарного ствола, засорении или заломе пожарного рукава в системе подачи воды не повышается чрезмерно давление), простотой управления насосом и его обслуживания при эксплуатации на пожарах.
Для пожарных автомобилей важно, что центробежные насосы не требуют сложного привода от двигателя, а их габариты и массы относительно невелики.
В то же время, центробежные насосы имеют и ряд недостатков, важнейший из которых тот, что они не являются самовсасывающими – работают только после предварительного заполнения всасывающей линии и насоса водой. Этот недостаток компенсируют устройствами, позволяющими заполнять всасывающие тракты и полость насоса из цистерн. Кроме того, на пожарных автомобилях устанавливают вспомогательные насосы для заполнения полости всасывающего рукава и корпуса насоса водой. Для этой цели используют газоструйные, ротационные, поршневые и другие насосы. Вспомогательные насосы работают кратковременно, только при включении центробежного насоса в работу. Установка таких насосов усложняет конструкцию насосной установки, требует устройства дополнительного привода для их работы.
Напорная и энергетическая характеристика центробежного насоса определяет зависимость напора, потребляемой мощности и К.П.Д. от подачи насоса. Эти зависимости изображают графически кривыми Q–H, Q–N и Q-η при постоянной частоте вращения рабочего колеса насоса n (см. рис. 3.7).
Напорную и энергетическую характеристику строят следующим образом. Регулируя степень открытия задвижки на напорном патрубке, при постоянной частоте вращения вала насоса, получают различные величины подачи Q. Каждому значению Q соответствует напор Н, мощность N и К.П.Д. η насоса. Затем на ось абсцисс наносят в принятом масштабе значения подачи, а на ось ординат – полученные значения Н, N и η. Полученные точки соединяют плавными линиями. По графику характеристики Q-η (см. рис. 3.7) видно, что
 |
максимальному значению К.П.Д. (точка А) соответствует определённая подача Q А и напор Н А. Точка А называется оптимальной и соответствует оптимальному режиму работы насоса.
Влияние частоты вращения рабочего колеса на параметры работы центробежного насоса проявляется следующим образом.
Подача центробежного насоса изменяется пропорционально частоте вращения рабочего колеса: Q 1 /Q 2 = n 1 /n 2 .
Напор, развиваемый насосом, изменяется пропорционально квадрату частоты вращения рабочего колеса: Н 1 /Н 2 = (n 1 /n 2) 2 .
Мощность, потребляемая насосом, изменяется пропорционально кубу частоты вращения рабочего колеса: N 1 /N 2 = (n 1 /n 2) 3 .
Лекция 6
Кавитация в лопастных насосах
Вопросы: 1. Понятие о кавитации. Причины ее возникновения и меры предупреждения
2. Допустимая высота всасывания
3. Кавитационные испытания
1. Понятие о кавитации. Причины ее возникновения и меры предупреждения
Кавитация представляет собой процесс нарушения сплошности потока жидкости, который начинается на тех участках, где давление понижается до критического (давления парообразования) и заканчивается на участках с давлением больше критического. В местах пониженного давления жидкость закипает, в результате чего образуются пузырьки газа, выделяющегося из воды. Эти пузырьки, попадая в зону повышенного давления, схлопываются, частицы жидкости устремляются в микропустоты и, сталкиваясь друг с другом, вызывают локальные гидроудары. Газ снова растворяется в воде, а частицы жидкости, заполняя микропустоты, находящиеся у стенок проточной части насоса, ударяют по металлу, что приводит к его разрушению. Таким образом, явление кавитации отрицательно сказывается на работе насоса, делая ее неустойчивой и разрушая насосную установку.
Кавитация может быть профильной , возникающей из-за неверно очерченного профиля проточной части, щелевой , возникающей из-за конструктивных недоработок, и шероховатой, которая возникает из-за чрезмерной шероховатости стенок проточной части насоса. За этим следят проектировщики и завод - изготовитель.
При эксплуатации насосов возникновение кавитации возможно по следующим причинам:
1) завышенная высота всасывания, т.е. насос установлен на большом удалении от воды;
2) низкое атмосферное давление на поверхности воды;
3) высокая температура перекачиваемой жидкости;
4) большие сопротивления во всасывающей трубе из-за неверно подобранного ее диаметра или из-за большой длины и местных сопротивлений;
5) негерметичность всасывающей линии.
Основная мера предупреждения кавитации - правильный выбор геометрической высоты всасывания.
Дополнительные меры: увеличение давления на поверхности воды в нижнем бьефе, понижение температуры жидкости, уменьшение длины всасывающих труб и т.д.
2. Допустимая высота всасывания
Это такая высота установки насоса относительно уровня воды в нижнем бьефе, по превышении которой возникает кавитация. Следовательно, насос необходимо устанавливать с геометрической высотой всасывания, которая должна быть меньше допустимой, т.е.
h в h в доп . (5.1)
Ранее была получена формула для вакуумметрической высоты всасывания:
Н вак = Н в.п. + V в 2 / 2g. (5.2)
Здесь Н в.п =h в + h т.в. , (5.3) где Н в.п. - приведенная геометрическая высота всасывания,
h в - геометрическая высота всасывания, h т.в. - потери напора во всасывающем трубопроводе, V в - скорость во всасывающем трубопроводе.
Из формулы (5.2) выразим Н в.п.
Н в.п. = Н вак - V в 2 / 2g и введем в полученное выражение поправки, учитывающие условия работы насоса (температуру воды, давление на ее поверхности). Получим допустимую приведенную геометрическую высоту всасывания
Н в.п. доп = Н вак доп - V в 2 /2g - h п.ж. - (Н а - Н б ) . (5.4)
В полученном выражении: Н вак доп - допустимое вакуумметрическое давление, после которого наступает кавитация при температуре 18 о С. Определяется на основании кавитационных испытаний насоса; h п.ж. - давление в мм рт. столба, после которого жидкость при данной температуре закипает, т.е.
h п.ж. =(t o C); Н а и Н б - нормальное атмосферное и фактическое барометрическое давление на поверхности воды.
Если в формулу (5.3) подставить значение Н в.п доп и выразить из нее h в, то получим формулу, по которой определяется допустимая геометрическая высота всасывания, т.е.
h в доп = Н в.п. доп - h т.в. . (5.5)
Здесь приведенная допустимая вакуумметрическая высота всасывания Н в.п доп определяется по формуле (5.4), в которой необходимо знать Н вак доп, а последняя определяется на основе кавитационных испытаний. В случае их отсутствия Н в.п. доп определяется по формуле Тома:
Н в.п. доп = Н а -h п.ж. +V в 2 /2g - Н,
где Н - кавитационный запас, Н - напор насоса,
-коэффициент кавитации, определяемый по формуле Руднева:
для насосов с односторонним входом = 216 n s 4/3 /10 6 ;
для насосов с двухсторонним входом = 136 n s 4/3 /10 6 .
Все эти рекомендации применимы как для центробежных, так и для осевых насосов. Однако в последнее время в практику внедряется несколько другой способ расчета допустимой высоты всасывания, который будет рассмотрен ниже.
3. Кавитационные испытания
Кавитационные испытания проводят по разомкнутой или замкнутой схемам. Их целью является получение данных для расчета допустимой высоты всасывания. При испытаниях по разомкнутой схеме (они будут проводиться при выполнении лабораторной работы) получают значения Н вак доп в зависимости от расхода,которые наносятся на характеристику насоса. Кривая Н вак доп =f(Q) называется кавитационной характеристикой насоса.
Испытанию по замкнутой схеме подвергают, как правило, осевые насосы. Схема установки представлена на рис 5.1.
Рис.5.1. Замкнутая схема
кавитационных испытаний
Здесь кавитация вызывается за счет постепенного понижения давления вакуумным насосом (ВН) в резервуаре, являющимся нижним бьефом испытываемого насоса. В результате испытаний получают величину кавитационного запаса h доп, который определяется по формуле
h = Н а - Н вак + V в 2 /2g , (5.6)
где Н а - нормальное атмосферное давление, Н вак - показание вакуумметра, установленного на всасывающей трубе насоса.
Их значения в зависимости от расхода наносят в виде кривых на универсальную размерную характеристику. На безразмерную характеристику наносят кривые, пересчитанные на безразмерные коэффициенты:
К h = h / n 2 D 2 и К Q = Q/ n D 3 .
В этом случае приведенная допустимая вакуумметрическая высота всасывания Н вак доп определяется по формуле
Н вак доп = Н а - h п.ж. - h . (5.7)
Следовательно, при расчете допустимой высоты всасывания по формуле (5.5) в нее подставляется значение Н вак доп, определенное по формуле (5.7). Весь остальной расчет одинаков.
Определив допустимую высоту всасывания по любой из описанных выше методик и приняв геометрическую высоту всасывания согласно условию (5.1), можно определить отметку оси насоса
о = н.б. + h в, где о - отметка оси насоса, н.б. - отметка воды в нижнем бьефе, h в - геометрическая высота всасывания.
Жидкость по всасывающему трубопроводу к рабочему колесу насоса подводится под действием разности давления в приемном резервуаре и абсолютного давления в потоке у входа в колесо. Последнее зависит от расположения насоса относительно уровня поверхности жидкости в резервуаре и режима работы насоса. На практике встречаются три основные схемы установки центробежных насосов:
- ось насоса выше уровня жидкости в приемном резервуаре (камере) - рис. 2.9, а;
- ось насоса ниже уровня жидкости в приемном резервуаре (см. рис. 2.9, б) ;
- жидкость в приемном резервуаре находится под избыточным давление м (см. рис. 2.9,6).
Из уравнения Бернулли для двух сечений (в нашем случае для уровня жидкости в приемном резервуаре 0 — 0 и сечения 1 — 1 на входе в насос (см. рис. 2.8))следует
где h п.в. — потери во всасывающем трубопроводе; р a — атмосферное давление, Па; р в — абсолютное давление на входе в насос, Па; с в — скорость на входе в насос, м/с.
Левая часть уравнения (2.26) представляет собой вакуумметрическую высоту всасывания насоса и измеряется в метрах столба перекачиваемой жидкости.
Рис. 2.9. Схемы установки центробежных насосов
Из выражений (2.26) и (2.27) следует:
Если вода в насос поступает с подпором (см. рис. 2.9,б), то
Отрицательное значение H в указывает на работу насоса с подпором. При работе насоса по схеме, показанной на рис. 2.9, в, выражение вакуумметрической высоты всасывания приобретает вид:
где P — абсолютное давление среды над свободной поверхностью жидкости, Па.
В зависимости от конструкции лопастного насоса геометрическую высоту всасывания отсчитывают по-разному. Для горизонтальных насосов H г.в — это разность отметок оси насоса и уровня жидкости в приемном резервуаре. Для насосов с вертикальным валом Н г.в отсчитывается от середины входных кромок лопастей рабочего колеса (в многоступенчатых насосах колеса первой ступени) до свободной поверхности жидкости в приемном резервуаре (камере, скважине).
Нормальная работа центробежного насоса обеспечивается в таком режиме, когда абсолютное давление во всех точках его внутренней полости больше давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости при данной температуре. Если такое условие не соблюдается, то начинаются явления парообразования и кавитации, которые приводят к уменьшению или даже прекращению подачи насоса (насос «срывает»).
Кавитацией называют процессы нарушения сплошности потока жидкости, происходящие там, где местное давление понижается и Достигает определенного критического значения. При этом наблюдается образование большого количества мельчайших пузырьков, наполненных парами жидкости и газами, выделившимися из нее. Образование пузырьков внешне похоже на кипение жидкости. Возникшие в результате понижения давления пузырьки увеличиваются в размере и уносятся потоком. При этом наблюдается местное повышение скорости движения жидкости вследствие стеснения поперечного сечения потока выделившимися пузырьками пара или газа.
Попадая в область с давлением выше критического, пузырьки разрушаются, при этом их разрушение происходит с большой скоростью и поэтому сопровождается местным гидравлическим ударом в данной микроскопической зоне. Так как конденсация занимает некоторую область и протекает непрерывно в течение длительного времени, это явление приводит к разрушениям значительных площадей поверхности рабочих колес или направляющих аппаратов. Практически появление кавитации при работе насоса можно обнаружить по характерному потрескиванию в области всасывания, шуму и вибрации насоса. Кавитация сопровождается также химическим разрушением (коррозией) материала насоса под действием кислорода и других газов, выделившихся из жидкости в области пониженного давления.
При одновременном действии коррозии и циклических механических воздействий прочность металлических деталей насоса быстро снижается. При этом воздействие кавитации на металлические детали насоса усиливается, если перекачиваемая жидкость содержит взвешенные абразивные вещества: песок, мелкие частицы шлака и т. п. Под действием кавитации поверхности деталей становятся шероховатыми, губчатыми, что способствует быстрому их истиранию взвешенными веществами. В свою очередь эти вещества, истирая поверхности деталей насоса, способствуют усилению кавитации.
Кавитационному разрушению наиболее подвержены чугун и углеродистая сталь. Более устойчивы в этом отношении бронза и нержавеющие стали. В целях повышениях устойчивости деталей насосов применяют защитные покрытия. Для этого поверхности деталей наплавляют твердыми сплавами, используют местную поверхностную закалку и другие способы защиты. Однако основной мерой борьбы с преждевременным износом проточной части насосов является предупреждение кавитационных режимов их работы.
Для бескавитационной работы насоса необходимо обеспечить условия, при которых давление на входе в насос рв было бы больше критического, т. е. больше давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости р„. Для предотвращения явления кавитации необходимо, чтобы удельная энергия потока (отнесенная к оси рабочего колеса насоса) была достаточной для обеспечения скоростей и ускорений в потоке при входе в насос и преодоления гидравлических сопротивлений без падения местного давления до значений, ведущих к образованию кавитации.
Кавитационный запас, т. е. превышение удельной энергии потока энергии, соответствующей давлению насыщенных паров перекачиваемой жидкости, равен:
где h — абсолютное давление на входе в насос.
Величина h зависит от типа и конструкции насоса. Для каждого насоса экспериментально устанавливается минимальное значение кавитационного запаса hмин. Но в технической характеристике насоса указывается значение допустимого кавитационного запаса, т. е. такого кавитационного запаса, который надежно обеспечивает работу насоса без изменений его основных технических показателей. Допустимый кавитационный запас h доп =Kд h . Коэффициент запаса Кд в зависимости от конструкции, типа и назначения насоса принимают в пределах 1,1 — 1,5.
Стандартом ИСО 2548 введено несколько иное понятие кавитационного запаса. В этом документе введен термин «суммарный напор всасывания при нагнетании» (т. е. при работе насоса). Этот термин обозначается (NPSH). Математически (NPSH) выражается так:
где Z 1 — расстояние от плоскости входа до оси рабочего колеса; рв-—избыточное давление на входе в насос.
На входе в насос давление рв, как правило, является отрицательной величиной. Сравнивая выражение (NPSH) с формулой, описывающей кавитационный запас, легко убедиться, что оно отличается только наличием члена Z 1 , который учитывает разность геометрических высот центра тяжести входного патрубка насоса и рабочего колеса. Для больших насосов эта величина может быть существенной.
Из соотношений (2.27) и (2.31) следует, что допустимая вакуумметрическая высота всасывания
где п а — напор, соответствующий атмосферному давлению (приведенная высота атмосферного давления), метры столба перекачиваемой жидкости; h н.п — напор, соответствующий давлению насыщенных паров перекачиваемой жидкости (приведенная высота давления насыщенных паров жидкости), метры столба жидкости.
Допустимая геометрическая высота всасывания вычисляется из соотношений (2.26) и (2.32)
Таким образом, допустимая геометрическая высота всасывания насосной установки равна допустимой вакуумной высоте всасывания насоса минус потери напора во всасывающем трубопроводе. В технической документации на насосы (каталогах, паспортах и пр.) указывается допустимая высота всасывания (или допустимый кавитационный запас) для нормальных условий, т. е. для атмосферного давления 0,1 МПа (что приблизительно соответствует 760 мм рт. ст.) и температуры перекачиваемой жидкости 20°С.
Для воды и сточной жидкости допустимая высота всасывания применительно к реальным условиям эксплуатации насоса вычисляется по соотношению
а допустимая геометрическая высота всасывания — по формуле
где Нв.доп. —номинальная допустимая высота всасывания (по каталогу); pа/pg — приведенная высота атмосферного давления, м вод. ст.; 0,24 —. значение Hп.п для воды при t=20С.
Значения приведенной высоты атмосферного давления pа/pg в зависимости от расположения местности над уровнем моря указаны ниже:
| Высота над уровнем моря, м |
-600 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 100 | 1500 | 2000 | |
| pа/pg, м вод.ст. | 11.3 | 10.3 | 10.2 | 10.1 | 10 | 9.8 | 9.7 | 9.6 | 9.5 | 9.4 | 9.2 | 8.6 | 8.4 |
Значения высоты давления насыщенных водяных паров h н.п в зависимости от температуры воды приведены ниже:
Потери напора во всасывающем трубопроводе складываются из потерь на трение при движении жидкости по трубе и потерь на местные сопротивления
где i — потери напора на 1 м длины трубы; l — длина трубопровода; E£ — сумма коэффициентов местных сопротивлений; с — скорость движения при входе в фасонную часть (арматуру), м/с.
При работе насоса разность давлений в приемном резервуаре и в корпусе насоса должна быть достаточной, чтобы преодолеть давление столба жидкости и гидравлические сопротивления во всасывающем трубопроводе, поэтому расчет и проектирование всасывающей линии представляют собой одну из самых ответственных задач при проектировании насосной установки.
Вертикальное расстояние от уровня жидкости в приемном резервуаре до центра рабочего колеса насоса называют геометрической высотой всасывания hвс. Для нахождения допустимой геометрической высоты всасывания запишем уравнение Бернулли. Для сечений О-О и 1-1 (рис. а):
где Shs - сумма потерь напора во всасывающем трубопроводе.
Учитывая, что z1- z0 = hвс , а также то, что Vo = 0 (приемный резервуар достаточно больших размеров), получим
Если давление P1 опустится до давления насыщения паров перекачиваемой жидкости Ps при данной температуре, то наступит кавитация.
Кавитация в переводе на русский язык означает пустотообразование. Явление кавитации представляет собой процесс нарушения сплошности течения жидкости, который происходит там, где давление, понижаясь, достигает давления насыщенных паров жидкости. Этот процесс сопровождается образованием большого числа пузырьков, наполненных парами жидкости и газами, выделившимися из нее. Находясь в области пониженного давления, пузырьки объединяются, превращаясь в большие пузыри каверны. Потоком жидкости каверны сносятся в область повышенного давления, где разрушаются вследствие конденсации заполняющего их пара. В центре каждой каверны происходит соударение частиц жидкости, что вызывает гидравлические удары. Опытами установлено, что, когда пузыри лопаются, повышаются местное давление и местная температура.
При этом местное давление достигает значений, больших 100 МПа, что сопровождается образованием положительно и отрицательно заряженных частиц ионов.
Это явление приводит к разрушению рабочих органов насоса. Поэтому кавитация в насосах недопустима. Особенно быстро разрушаются алюминий и механически обработанный чугун, а наиболее стойкой оказывается обладающая большой вязкостью нержавеющая сталь. При шлифовке и полировке стойкость металлов против кавитационного разрушения повышается. Применение стойких в отношении кавитационного разрушения материалов позволяет непродолжительное время работать в условиях местной кавитации.
Первым и главным условием устранения кавитации является правильное назначение допустимой высоты всасывания.
Практически давление на входе в насос выбирают несколько больше, чем давление насыщения паров, т. е.
где DRзап - запас давления, гарантирующий от наступления кавитации.
Следовательно,
кавитационный запас напора,
Из формулы видно, что для увеличения геометрической высоты всасывания необходимо уменьшать потери во всасывающем трубопроводе, скорость при входе в насос и давление насыщения паров. В связи с этим всасывающую линию насоса делают возможно короче, большого диаметра, с минимумом перегибов и местных сопротивлений. Снизить значение Рs в большинстве случаев невозможно, так как оно определяется только температурой перекачиваемой жидкости. Однако если представляется такая возможность, то эту температуру необходимо уменьшить.
Максимальная геометрическая высота всасывания насосов не может быть более Рат/pg, что для воды составляет 10 м. Высота всасывания центробежных насосов обычно не превышает б...7 м. Если по расчету получается hвс < 0, то насос необходимо ставить ниже уровня жидкости в приемном резервуаре (затопленный насос). Так как
где Нвак - вакуумметрическая высота всасывания,
то можно записать
Следовательно, вакуумметрическая высота всасывания складывается из геометрической высоты всасывания hвс, потерь напора Shs во всасывающем трубопроводе и скоростного напора при входе в насос v 2 1/2g.
Допустимая вакуумметрическая высота всасывания всегда меньше высоты на кавитационный запас, т. е.
В каталогах и паспортах насосов приводят допустимую вакуумметрическую высоту или допустимый кавитационный запас.
находим геометрическую высоту всасывания насоса:
На всасывающей линии насосов возникает разрежение. Причинами разрежения являются:
1) потери энергии на всасывающей линии;
2) затраты энергии на подъем жидкости на высоту Н вс ;
3) инерционные потери во всасывающем трубопроводе, зависящие от скорости “разгона” лопастного колеса насоса. Чем быстрее достигается полное число оборотов и чем меньше диаметр всасывающего трубопровода, тем больше инерционные потери.
В результате может произойти вскипание части жидкости и возникнуть явление, называемое кавитацией . Кавитация – это процесс образования пузырьков пара в толще движущейся жидкости при снижении гидростатического давления и конденсации этих пузырьков внутри жидкости в зоне повышения гидростатического давления. В лопастных насосах – минимальная величина этого давления, а следовательно, наибольшая вероятность кавитации возникает вблизи входной кромки лопатки, т.е. там, где скорость потока максимальна.
В момент полной конденсации в точке, где она происходит, возникает резкое увеличение давления (до сотен атмосфер). Если пузырек находился на поверхности колеса, то удар производится на эту поверхность, что, в свою очередь, вызывает эрозию материала. Процесс разрушения рабочих органов насоса усиливает коррозия, вызванная интенсивным выделением растворенного в воде кислорода. Кавитация сопровождается ударами, шумом, и даже вибрацией насосной установки, вызывает падения напора, подачи, КПД насоса. Следовательно, кавитация является процессом отрицательным.
Допустимая высота всасывания центробежного насоса . Рассмотрим процесс возникновения кавитации в лопастном колесе. Пусть жидкость входит в колесо с относительной скоростью w 1 и давлением P 1 . При обтекании лопатки максимальная скорость будет на вогнутой части лопатки. Соответственно, статическое давление здесь будет минимальным в некоторой точке линии тока вдоль этой поверхности лопатки (). Условие отсутствия вскипания
P min > P t , (2.31)
где P t -давление насыщенных паров, Па.
Разность называется критическим числом кавитации. С помощью уравнения Бернулли можно получить, что
Практически высоту Н вс выбирают такой, чтобы полный напор на всасывании перед рабочим колесом превышал давление насыщенного пара на величину , называемую кавитационным запасом:
Критический кавитационный запас
Введем понятие статической высоты всасывания H S как суммы высоты всасывания и потерь напора на всасывании
Максимальная статическая высота всасывания
где P a - атмосферное давление, Па.
Обычно для предотвращения кавитации назначается превышение допустимого кавитационного запаса над критическим на 20-30%, т.е.
Тогда допустимая статическая высота всасывания равна:
Критический кавитационный запас определяется по формуле С.С. Руднева
где n – частота вращения колеса, об/мин;
L – секундная подача насоса, м 3 /с;
c – кавитационный коэффициент быстроходности, определяемый экспериментально и зависящий от конструкции насоса.
Поэтому для определения критического кавитационного запаса проводятся испытания с целью определения кавитационной характеристики насоса, которая определяет минимально допустимую величину напора перед насосом Δ h . Пример такой характеристики приведен на рис. 3.9. главы 3.
Величина Δ h возрастает с увеличением подачи. Например, для насоса некоторой конструкции при L = 40 м 3 /ч Δ h = 2 м.вод.ст, а при L = 160 м 3 /ч Δ h = 9 м.вод.ст. Следовательно, во втором случае вскипание возможно при подаче холодной воды (t =20⁰С, Р t = 2,34 кПа).
При перекачке горячей жидкости величина может оказаться отрицательной. В этом случае приемный резервуар следует установить выше насоса. Поэтому, например, питательные насосы тепловых электростанций устанавливают ниже деаэраторов. Величина подпора на всасывании зависит от температуры перекачиваемой жидкости, а также от конструкции насоса. При определении этой величины следует, в первую очередь, руководствоваться указаниями завода–изготовителя. Давление Р а принимается по климатологическим данным соответствующего региона. Однако фактическое давление атмосферы отклоняется от расчетного, как правило, в пределах ±5%. В результате, создаваемый им напор, колеблется в диапазоне
±0,5 м вод.ст. Поэтому целесообразно принимать минимальный напор пред насосом на 0,5 м выше указанного в кавитационной кривой.