ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Основы теории и цель работы

Кавитацией называется явление вскипания жидкости при понижении давления до давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости при рабочей температуре в насосе.

Вскипание жидкости приводит к образованию так называемых каверн, заполненных паром этой жидкости. Каверны увлекаются потоком в область повышенного давления, где пар мгновенно конденсируется, и каверны захлопываются.

Явление кавитации приводит к следующим особенностям при работе насоса:

1. При развитой кавитации возрастают гидравлические потери, что приводит к падению подачи, напора, мощности и к.п.д. насоса;

2. Возрастает резкий шум и создается повышенная вибрация;

3. Происходит кавитационный износ поверхности проточной части насоса.

Износ внутренних поверхностей насоса вызывается механическим воздействием жидкости на них, когда происходит захлопывание каверн. При попадании каверны в область повышенного давления, давление жидкости вокруг нее возрастает, а давление пара внутри каверны в процессе его конденсации остается постоянным. Поэтому жидкость ускоренно движется к центру каверны при ее захлопывании и создается местное мгновенное повышение давления (гидравлический удар). Особенность его воздействия состоит в том, что частота ударов очень высока. При этом возникают усталостные явления в металле. Разрушение поверхностей происходит в виде их выкрашивания, и они вместо гладких становятся “губчатыми”.

Для исключения явления кавитации необходимо соблюдение следующего требования, чтобы в любой точке проточной части насоса абсолютное давление было выше давления насыщенного пара перекачиваемой жидкости, т.е.

Р_i > P_н.п (12.1)

Сложность соблюдения данного требования заключается в нахождении i - ой точки, в которой давление будет минимальным, и в определении давления Р_i.

Для свободной поверхности жидкости в приемном баке и входного (всасывающего) патрубка центробежного насоса запишем уравнение Д. Бернулли. При этом за плоскость сравнения принимаем свободную поверхность жидкости и предполагаем, что

(12/2)

где Р_А - абсолютное давление в приемном баке, Н_В - высота всасывания; Р_В и - абсолютное давление и скорость жидкости во всасывающем патрубке; h_AB - потери напора во всасывающей линии.

Из уравнения (12.2) находим

(12.3)

Из зависимости (12.3) следует, что с увеличением высоты всасывания H_B и потерь напора h_AB давление во всасывающем патрубке насоса снижается. Следовательно, снижается и давление жидкости на входе в рабочее колесо. А значит, при малом давлении Р_А и больших значениях H_B и h_AB давление Р_B становится столь малым, что в насосе появляются области, в которых нарушается условие (12.1), т.е. давление Р_i становится равным давлению насыщенного пара Р_н.п. Таким образом, кавитация ограничивает высоту всасывания центробежного насоса.

Для определения допустимой высоты всасывания С.С. Руднев предложил использовать понятие допустимого кавитационного запаса. Под кавитационным запасом понимается превышение полного напора жидкости во всасывающем патрубке насоса над напором, соответствующим давлению насыщенного пара перекачиваемой жидкости при рабочей температуре

(12.4)

Чем меньше величина Δh, тем больше вероятность возникновения кавитации. Кавитационный запас, при котором происходит кавитация называется критическим. Для нахождения критического кавитационного запаса проводятся испытания насоса, по данным которых строится кавитационная характеристика (рис.12.1). Она представляет собой зависимость напора H, мощность N и подачи Q от кавитационного запаса Δh при постоянной частоте вращения рабочего колеса (n = const). Начинаются испытания при больших значениях Δh, обеспечивающих бескавитационную работу насоса, а затем, постепенно снижается Δh. В области Δh > Δh'_кр кавитация не возникает, напор, мощность и подача не зависят от Δh (рис. 12.1).

Однако при достижении первого критического кавитационного запаса Δh^'_кр, возникает кавитация. При Δh < Δh^'_кр происходит постепенное уменьшение напора и мощности насоса, однако его подача практически не меняется, так как возникающие каверны малы по размерам и быстро захлопываются. Дальнейшее уменьшение Δh приводит к росту размера каверн. При втором критическом кавитационном запасе Δh^''_кр их размер значительно увеличивается, при этом поток отрывается от лопастей рабочего колеса, а при Δh < Δh''_кр резко падают напор, мощность и прекращается подача насоса (рис 12.1).

Работа центробежного насоса в кавитационном режиме при Δh''_кр< Δh< Δh'_кр характеризуется износом поверхности его проточной части. Поэтому данный режим допускается только в случае, когда поверхность проточной части выполнена из высокопрочного материала или работа насоса кратковременна. В этом случае за наименьший кавитационный запас принимается Δh''_кр. Если необходимо полностью исключить кавитационный режим, то за наименьший кавитационный запас принимается Δh'_кр.

Критический кавитационный запас определяется по формуле С.С. Руднева

, (12.5)

где n – частота вращения вала насоса; Q – подача насоса; C_k – кавитационный коэффициент быстроходности.

Если за наименьший кавитационный запас принимается Δh'_кр, то C_k = (0,8¸1)10³, а если Δh^''_кр, то C_k = (1,3¸3)10³.

Для учета случайных явлений допустимый кавитационный запас принимается несколько большим, чем выбранный критический, т.е.

(12.6)

Таким образом, для нормальной работы насоса необходимо, чтобы

(12.7)

Подставляя зависимость (12.4) в (12.7), получаем

(12.8)

Зная критический или допустимый кавитационный запас находится высота всасывания насоса. Из уравнений (12.8) и (12.2) определяется высота всасывания

(12.9)

Из зависимости (12.9) следует, что высота всасывания насоса зависит от давления в приемном баке, температуры жидкости (давление насыщенного пара P_н.п однозначно определяется температурой жидкости), потерь напора во всасывающей линии и допустимого кавитационного запаса.

Цель работы – установление на экспериментальном стенде внешних признаков возникновения кавитации при работе центробежного насоса. Снятие кавитационной характеристики центробежного насоса и определение допустимого кавитационного запаса.