книги / Насосы, компрессоры и холодильные установки. Перемещение жидкостей, насосные машины

В процессе кавитации выделяют три стадии, которые приведены на рис. 1.7.3.

Рис. 1.7.3. Стадии процесса кавитации: а – начальная стадия; б – развитая кавитация; в – супер-кавитация;

1 – каверна; 2 – пузыри пара; 3 – поток жидкости

Начальная стадия кавитации (рис. 1.7.3, а) характеризуется образованием относительно крупных пузырей пара. При развитой кавитации (рис. 1.7.3, б) на поверхности рабочего колеса непрерывно образуются крупные каверны 1 из пузырей пара 2, которые срываются потоком 3 жидкости. При наступлении стадии суперкавитации (рис. 1.7.3, в) весь обтекаемый элемент находится в области каверны.

К факторам, которые приводят к кавитации, относятся:

–высокая температура жидкости, так как чем выше температура жидкости, тем выше давление ее насыщенного пара, тем легче происходит образование пузырей пара;

–высокое сопротивление всасывающей линии, так как оно снижает давление в области всаса насоса;

41

–большое сопротивление на входе в колесо, например, выражающееся в том числе и резкими поворотами потока жидкости на входе в колесо;

–наличие выступающих в поток элементов, что также увеличивает сопротивление линии движения потока;

–высокая скорость жидкости, что смещает режим движения жидкости от ламинарного в сторону турбулентного режима с увеличением сопротивления;

–высокая частота вращения колеса, что дополнительно способствует увеличению скорости жидкости и повышение вероятности отрыва потока от лопатки рабочего колеса;

–подсос воздуха через неплотности, которой может дополнительно способствовать отрыву потока жидкости от лопатки рабочего колеса.

Для недопущения кавитации применяются технологические и конструктивные противокавитационные меры.

Технологические противокавитационные меры направ-

лены на изменение технологических параметров работы центробежного насоса. К данным мерам относятся:

–снижение температуры перекачиваемой жидкой среды;

–уменьшение сопротивления всасывания;

–снижение числа оборотов;

–снижение скорости потока до 1 м/с;

–изменение расхода дросселированием на нагнетании.

Конструктивные противокавитационные меры направ-

лены на обеспечение небольших скоростей жидкости на входе в рабочее колесо насоса и равномерное распределение полей скоростей по пути движения жидкости по лопасти за счет конструкции центробежного насоса. К данным мерам относятся следующие [2]:

1.Рабочие колеса с расширенным входом, в котором каждую вторую лопатку укорачивают на входе (рис. 1.7.4).

2.Предвключенный насос в форме шнека (рис. 1.7.5, а) или осевого колеса (рис. 1.7.5, б).

42

4. Работа с высотой всасывания, при которой кавитация не происходит.

1.8. Высота всасывания, кавитационный запас

Рассмотрим систему с участием бака, трубопровода и центробежного насоса (рис. 1.8.1). В приведенной схеме центробежный насос через всасывающий трубопровод забирает жидкость из бака. В данной системе выделим два сечения: 1 – уровень жидкости в баке; 2 – уровень всасывания центробежного насоса.

Рис. 1.8.1. Система с баком, трубопроводом и центробежным насосом

По закону Бернулли для данной системы

Р1 – давление над уровнем поверхности жидкости, забираемой центробежным насосом; Рвс – давление на входе в центробежный насос (всасывания); – плотность жидкости; с1 , с2 –

44

скорость жидкости в сечении 1 и 2; hпотерь – потеря напора во

всасывающем трубопроводе.

Если за начало отсчета геометрической высоты расположения сечений 1 и 2 принять положение нижнего сечения 1, то

жидкости при входе в центробежный насос (всасывания).

Для получения выражения, по которому можно определить геометрическую высоту всасывания центробежного насоса, следует преобразовать (1.8.2):

Чем дальше будет расположено сечение 2 от сечения 1, тем больше будет геометрическая высота всасывания для системы рис. 1.8.1.

Геометрическая высота всасывания имеет предельное значение, которое ограничено развитием кавитации в системе. Поскольку кавитация возникает при приближении давления вса-

сывания к давлению насыщенных паров жидкости Pнас при данной температуре, то на основе (1.8.3) можно получить выражение

При работе на предельной (критической) высоте всасывания функционирование насоса сопровождается начальной стадией кавитации (см. рис. 1.7.3, а), что недопустимо.

45

Нормальное функционирование насоса может происхо-

дить только при допустимой высоте всасывания Hг.доп – высо-

те всасывания, при которой кавитация не наступает. Допустимая высота всасывания Hг.доп отличается от пре-

дельной высоты всасывания Нпред на величину минимального

кавитационного запаса hmin – запаса энергии для исключения

кавитации.

В какую сторону – в большую или в меньшую – допустимая высота всасывания Hг.доп должна отличаться от предель-

ной высоты всасывания Нпред на величину минимального кави-

тационного запаса hmin определяется и положением установки

насоса относительно емкости, из которой производится всасывание жидкости (рис. 1.8.2).

Рис. 1.8.2. Варианты расположения насоса и всасывающей емкости: а – насос выше емкости; б – насос ниже емкости

Если насос расположен выше емкости (см. рис. 1.8.2, а), то

Если насос расположен ниже емкости (см. рис. 1.8.2, б), то

46

Если температура жидкости, которую следует переместить насосом, близка к кипению, то насос располагают ниже уровня бака.

Минимальный кавитационный запас – это общий запас энергии для исключения кавитации. При этом для конкретной насосной установки характерны требуемый hтр и действи-

тельный hд кавитационные запасы.

Требуемый кавитационный запас hтр – минимально до-

пустимая разница между удельной энергией потока на входе в

гии, соответствующей давлению парообразования жидкости

ся перепадом давления между расходной емкостью и входом в

рической высотой, потерями на трение). Действительный кавитационный запас зависит от конкретной системы, на которую работает насос:

47

Если в насосной установке Нг const , то с увеличением производительности Q :

– действительный кавитационный запас hд уменьшает-

ся, так как увеличиваются гидравлические потери hпотерь ;

– требуемый кавитационный запас hтр увеличивается, так как увеличивается скорость при входе в насос свс .

приведены на рис. 1.8.3. Точка А – точка пересечения линий действительного и требуемого кавитационных запасов. На рис. 1.8.3 область левее пунктирной линии соответствует работе насоса без кавитации в диапазоне подач до Q1.

Рис. 1.8.3. Графические зависимости

hд f1(Q) , hтр f2 (Q)

Для того чтобы кавитация не возникала, необходимо следующее условие:

48

1.9. Помпаж, противопомпажная защита

Работа насоса не только может быть стационарно установившейся, но и становиться неустойчивой. Неустойчивая работа насоса характеризуется тем, что подача Q, напор H, мощность N насоса изменяются резко и скачкообразно. Также появляются вибрации и большие динамические нагрузки на вращающихся элементах насоса. Расход в жидкости в сети, на которую работает насос, может отличаться от подачи насоса.

Помпаж – явление возникновения автоколебаний в системе насос – сеть.

Причины возникновения помпажа:

1)колебания массы жидкости при ее расположении между двумя свободными поверхностями;

2)наличие в системе емкости для отдачи накопленной энергии давления. Под «емкостью» в данном случае может пониматься наличие паровой подушки в котле; воздушная подушка в присоединенном сосуде;

3)напорная характеристика насоса H f Q с восхо-

дящей ветвью, которая пересекает характеристику сети в двух точках А и В (рис. 1.9.1).

Ниже приводится описание примера возникновения пом-

пажа.

Насос работает на сеть, где жидкость подается наверх с открытого резервуара с давлением на свободной поверхности P1 в закрытый резервуар с давлением на свободной поверхности P2 (рис. 1.9.2). Верхний резервуар питает сеть потребителей.

Статическое давление сети определяется по формуле

где – плотность подаваемой насосом жидкости; g – ускорение свободного падения; z1 , z2 – геометрическое положение

свободных поверхностей жидкости в нижнем и верхнем резервуарах.

49