Негативна висота всмоктування насоса. Висота всмоктування відцентрових насосів. Кавітація

Прийнявши за площину порівняння рівень вільної поверхні рідини в живильному баку 0–0 (рис. 6.18), напишемо рівняння Бернуллі для перерізів 0–0 та 1–1 (перетин 1–1 відповідає всмоктувальному патрубку насоса):

де – швидкість руху рідини у всмоктувальному патрубку, – втрати напору на лінії, що всмоктує, – висота всмоктуючої лінії, – тиск рідини в перерізі 1–1. З рівняння (6.36) визначимо висоту всмоктування:

Як видно з формули (6.37) чим менше , тим більша висота всмоктування насоса. Визначимо нижню межу зміни.

Рис. 6.18. Лінія всмоктування насосної установки

Якщо тиск виявиться меншим за тиск насиченої пари рідини при даній температурі , тобто . тоді з рідини починають виділятися пари і розчинені в ній гази. Інтенсивне утворення бульбашок може призвести до розриву потоку рідини
із заснуванням парової (газової) подушки. В цьому випадку насос перестає качати, подача падає до нуля.

Припустимо, розриву потоку немає, рідина бульбашками пари (газу) при своєму русі потрапляє в область більш високих тисків.
При відбувається миттєва конденсація парів рідини. Рідина миттєво проникає у порожнечі, що утворюються при конденсації бульбашок, що призводить до численних дрібних гідравлічних ударів. Цей процес називається кавітацією. Місцеве підвищення тиску може досягати 100 МПа.

Внаслідок кавітації може статися:

- Зниження, і;

- Повне припинення подачі - розрив потоку;

- Виникнення вібрації, ударів, шумів;

- Механічна руйнація твердих поверхонь насоса.

Виникнення кавітації в відцентровому насосі найімовірніше
у всмоктувальній порожнині насоса. Для запобігання кавітації необхідно .

Визначимо максимальну висоту всмоктування насоса, приймаючи:

Допустиму висоту всмоктування можна визначити з урахуванням кавітаційного запасу:

Значення кавітаційного запасу наводяться у каталогах
по насосам та в паспорті насоса.

Висота всмоктування відцентрового насоса для води за нормальних умов становить = 6-7 м.

Осьові насоси

Робоче колесо 1 при обертанні у корпусі 2 повідомляє рідини рух в осьовому напрямку. При цьому потік дещо закручується. Для перетворення обертального руху потоку на поступальне
у корпусі насоса встановлюється нерухомий напрямний апарат 3 (рис. 6.19). Лопаті робочого колеса виконуються у вигляді гвинта.

При обертанні колеса в потоці рідини виникає різниця тисків з обох боків кожної лопаті. Сили тиску лопатей
на потік створять вимушений обертальний і поступальний рух рідини, збільшуючи її тиск і швидкість, тобто. механічну енергію потоку рідини

Осьові насоси застосовуються для великих витрат рідини (десятки кубічних метрівв секунду) та малих напорів (5–20 м).

Теоретичний напір осьового насоса, як і для відцентрового, визначається за рівнянням Ейлера (6.25):

Рис. 6.19. Схема осьового насоса

Розглянемо трикутники швидкостей на вході рідини у робоче колесо (рис. 6.20, а) та на виході (рис. 6.20, б).

а)б)

Рис. 6.20. Трикутники швидкостей для робочого колеса осьового насоса

Окружна (переносна) швидкість обертання, як відомо, визначається за такою формулою:

де w - Кутова швидкість обертання. Окружна швидкість на вході в робочі колеса і виході будуть однаковими, тобто. . Отже, можна записати:

Це і є основне рівняння осьового насосу. Воно показує, що величина напору осьового насоса пропорційна добутку окружної швидкості зміну складової абсолютної швидкості потоку в напрямку переносного руху потоку.

З трикутників швидкостей визначимо і:

Значення можуть бути визначені з рівняння нерозривності:

де r – щільність рідини, – площа поперечного перерізу осьового насоса на вході та на виході: . Тоді отримаємо, що .

З урахуванням (6.41) та (6.42) рівняння (6.40) перепишемо у вигляді:

Відповідно до рівняння (6.43) для створення напору потрібно, щоб було менше . Чим більша різниця між , тим більше закрутка лопатки. Лопатки робочого колеса необхідно профілювати в такий спосіб, щоб величина напору по радіусу була постійна, тобто. значення та за радіусом різні. Іншими словами, закрутка лопаті по радіусу повинна змінюватися так, щоб по радіусу не змінювався.

Реальний напір осьового насоса може бути визначений за формулою:

Тут - ККД насоса, що визначається за формулою:

де j - гідравлічний ККД насоса, - механічний ККД насоса, що враховує втрати енергії від тертя в ущільнювачах, підшипниках і дискового тертя. Зазвичай приймають:

Коефіцієнт j може бути визначений виходячи з рівняння витрати:

де - об'ємна витрата насоса. Приймаючи , отримаємо:

У порівнянні з відцентровими осьові насоси відрізняються простотою конструкції та меншими розмірами при тій же продуктивності. Їхнім недоліком є ​​обмежена висота всмоктування. Відомо, що чим більша продуктивність насоса, тим більша небезпека кавітації. Щоб уникнути кавітації у разі висота всмоктування має перевищувати 1–2 м.

Вихрові насоси

Вихровий насос (рис. 6.21) складається з робочого колеса 1 з короткими радіальними лопатками та нерухомого корпусу 2 , забезпеченого всмоктуючим 3 і напірним 4 патрубками. У корпусі є концентричний відвідний канал, який переривається перемичкою, що служить ущільненням між напірною і лопастями, що всмоктує.
У вихровому насосі не забезпечується герметичний поділ всмоктувального та напірного трубопроводів, тобто. насос є проточним так само, як і всі лопатеві насоси.

У вихрових насосах відцентрова сила використовується кілька разів. Тому напір, створюваний ними, у 4–5 разів перевищує напір відцентрових машин, що мають ту саму окружну швидкість.

Відцентрові сили викликають безперервне закінчення рідини
з міжлопатевих каналів концентричний відвідний канал. Через нерозривність потоку рідина безперервно втікає в міжлопатеві канали з відвідного каналу. За час проходження всієї довжини відвідного каналу рідина кілька разів потрапляє у канали між лопатками
і щоразу отримує від робочого колеса новий імпульс. При цьому рідина здійснює складний звивистий гвинтоподібний рух.

Рис. 6.21. Схема вихрового насосу

У вихрових насосах визначається внутрішній ККД робочого процесу. Значення обчислюють як відношення корисної теоретичної потужності до теоретичної потужності, що витрачається колесом. Крім внутрішніх втрат, властивих процесу передачі енергії від робочого колеса до потоку та оцінюваних внутрішнім ККД, у вихрових насосах спостерігаються об'ємні, гідравлічні
та механічні втрати. Об'ємні втрати обумовлені перетіканням рідини через перемички.

Гідравлічні втрати енергії виникають унаслідок тертя
і вихроутворення при поступальному русі рідини відвідним каналом. Механічні втрати – втрати енергії на тертя у сальниках, підшипниках та на тертя на робочих поверхнях колеса в рідині.

Такі значні втрати енергії призводять до того, що при найбільш сприятливих для вихрових насосів режимах загальний ККД машини не перевищує 50%.

На рис. 6.22 представлені характеристики вихрового насосу. Напір насосу Hзалежить від витрати меншою мірою, ніж для відцентрового насоса. Якщо окружна складова швидкості рідини у відвідному каналі дорівнює окружній швидкості робочого колеса, то рідина в колесі
і на каналі обертається як одне ціле з однаковою окружною швидкістю.

Рис. 6.22. Характеристики вихрового насосу

Сильна взаємодія потоку рідини в колесі та в каналі відсутня, поздовжні вихори не виникають, і натиск вихрового робочого процесу при цьому .

Для цього випадку можна записати:

Подачу насоса визначають за такою формулою:

Коефіцієнт подачі cзмінюється в межах c = 0,50–0,65.

У порівнянні з відцентровим, вихровий насос компактніший, конструкція його простіше і дешевше. Вихрові насоси є самоусмоктуючими. Вони можуть працювати на суміші газу та рідини.
У вихровому насосі зміна тиску менше впливає на подачу, ніж
у відцентровому, про що свідчить крута характеристика (рис. 6.22).

Вихрові насоси зазвичай застосовують при необхідності створювати великий напір при малій подачі.

У вихрових насосах рідина підводиться до робочого колеса
периферії його, тобто. у зоні високих швидкостей. Тому можливість виникнення кавітації дуже велика. Попередити виникнення кавітації можна підвищенням тиску на вході у вихрове колесо.
Для цього слід встановити на валу вихрового насоса додаткове відцентрове колесо. Застосування попередньо включеного відцентрового колесадозволяє суттєво підвищити швидкість рідини на вході
у вихрове колесо і отримати більш високий тиск вихрового колеса
та насоса в цілому. ККД відцентрово-вихрового насоса вище ніж чисто вихрового насоса. Якщо найпоширеніших вихрових насосів ККД становить 33–35 %, то відцентрово-вихрових – 50–65 %.

Регулювання продуктивності вихрових насосів проводиться дроселювання потоку на виході або зміною числа оборотів.

Поршневі насоси

Серед об'ємних насосів найпоширенішими є поршневі насоси.

На рис. 6.23 зображено схему поршневого насоса простої дії. Він складається з поршня 1 зі штоком 3 , що рухаються зворотно-поступально всередині циліндра 2 та двох клапанів – всмоктуючого 4
та нагнітального 5 . Знизу до корпусу насоса приєднана всмоктувальна труба 6 , зверху – нагнітальна 7 .

Поворотно-поступальний рух поршня зі штоком створюється приводом. Як привод можуть служити: парова машина (прямодіючі насоси), кривошипно-шатунні механізми, екцентрикова або кулачкова передача. Розглянемо робітники
процеси машини. із циліндра, тобто. відбувається нагнітання. Тиск у порожнині різко зростає, і нагнітання починається відразу на початку ходу нагнітання.

Зображена на рис. 6.23 машина за один оборот валу кривошипу здійснює один процес всмоктування та один процес нагнітання
і називається машиною простої дії. Через позначений перебіг поршня.

Схеми поршневих насосівподвійного, потрійного та четверного дій представлені на рис. 6.24.

Насос подвійної дії за один оберт валу кривошипу здійснює два процеси всмоктування, два - нагнітання на загальну лінію; насоси потрійної дії – три, четверні – чотири.

а) б) в) г)

Рис. 6.24. Схеми поршневих насосів: а, б- подвійної дії;

в- потрійної дії; г– четверної дії

Особливості роботи насоса можна наочно зобразити
на теоретичній індикаторній діаграмі, що показує зміну тиску в циліндрі залежно від положення поршня під час роботи машини (рис. 6.25).

За іншими ознаками:

– за розташуванням осі циліндра (горизонтальні та вертикальні);

- по конструкції поршня (дисковий, диференціальний,
із прохідним поршнем – із клапаном у тілі поршня, плунжерний);

– за тиском (низькі – до 1 МПа, середні – до 2 МПа, високі – понад 2 МПа);

– за продуктивністю (малий – до 4 · 10 –3 м 3 /с, середній –
до 15 · 10 -3 м 3 / с, великий - понад 15 · 10 -3 м 3 / с).

Тиск рідини, що проходить через насос, безперервно змінюється у напрямку руху та неоднаково в окремих точках перерізів проточної порожнини.

У звичайних конструкціях відцентрових насосівнайменший тиск спостерігається поблизу входу в циліндричний переріз робочого колеса на увігнутій стороні лопатей, тобто. там, де відносна швидкість wі відповідна їй кінетична енергія досягають найбільших значень. Якщо в цій зоні тиск виявляється рівним або меншим тиску насиченої пари, що відповідає температурі всмоктуючої рідини, виникає явище, зване кавітацією.

Фізична картина кавітації полягає у скипанні рідини в зоні зниженого тиску та в подальшій конденсації парових бульбашок при винесенні окропу в область підвищеного тиску. При цьому процес кавітації поширений по деякій довжині потоку. Кавітація може бути місцевим процесом, характерним для короткої ділянки потоку, у тих випадках, коли тиск у перерізі пульсує близько його середнього значення, що дорівнює тиску насиченої пари при температурі рідини, що всмоктується. У цьому випадку процеси закипання та конденсації парових бульбашок протікають з великою частотою, пульсуючим чином.

У будь-яких випадках кавітації при швидкій конденсації парової бульбашки навколишня рідина спрямовується до центру бульбашки (центру конденсації) і в момент змикання його обсягу виробляє внаслідок малої стисливості рідини різкий точковий удар. За сучасними даними, тиск у точках змикання парових бульбашок при їх конденсації в кавітаційних процесах досягають кількох мегапаскалів.

Якщо пляшечку пари в момент його конденсації знаходиться на поверхні, що обмежує потік, наприклад на робочій лопаті, то удар припадає на цю поверхню і викликає місцеву руйнацію металу, зване піттингом.Сучасні дослідження показують, що кавітація супроводжується термічними та електрохімічними процесами, що суттєво впливають на руйнування поверхонь проточної порожнини насосів.

Характер піттингу залежить від матеріалу, з якого виготовлено проточну частину насоса. Так, піттинг чавунних деталей, наприклад робочих лопатей низьконапірних насосів, дає губчасту структуру з дуже нерівною поверхнею і звивистими вузькими щілинами, що проникають глибоко в метал і порушують міцність деталі. У високонапірних насосах, що працюють при великій частоті обертання, з деталями, виконаними зі звичайних конструкційних і легованих сталей, піттинг проявляється у вигляді гладких, як проточених западин і канавок. Матеріалів абсолютно стійких проти кавітації не існує. Дуже погано протистоять кавітації неоднорідні тендітні метали, такі як чавун і кераміка. З металів, що застосовуються в насособудуванні, найбільш стійкі до кавітації леговані сталі, що містять нікель та хром.

Кавітація шкідлива не тільки тому, що руйнує метал, а й тому, що машина, що працює в режимі кавітації, істотно знижує ККД.

Робота насоса в режимі кавітації зовні проявляється шумом, внутрішнім тріском, підвищеним рівнем вібрації, а при кавітації, що сильно розвинулася, - ударами в проточній порожнині, небезпечними для насоса.

Прийнято поділяти кавітаційний процес на три стадії. У початковій стадіїзона кавітації заповнена сумішшю рідини та більш-менш великих бульбашок пари. У другій стадіїв кавітаційному потоці на обмежувальній поверхні утворюються великі каверни, що зриваються потоком і знову утворюються. Це стадія розвиненої кавітації. Третя стадія – суперкавітація:весь обтічний елемент гідромашини лежить в області каверни.

Робота насоса на стадії початкової кавітації небажана, але допустима, якщо деталі насоса виготовлені з кавітаційно-стійких матеріалів. У стадії розвиненої кавітації та суперкавітації робота насоса стає ненадійною і тому неприпустимою.

Кавітація виникає зазвичай у всмоктувальному тракті насоса на лопатях робочого колеса, проте кавітаційні процеси можуть виникати і в напірних потоках у місцях зриву рідини з робочих лопатей, що направляють лопаток, регулюючих органів.

Заходи, що запобігають виникненню кавітації в насосах:

· Обмеження швидкості рідини в проточній порожнині насосів;

· Застосування раціональних форм перерізів проточної порожнини та профілів лопатей;

· Експлуатація насосів у режимах, близьких до розрахункових.

У багатоступінчастих насосах найбільш схильне до кавітації перше по ходу рідини робоче колесо, тому що на вході в нього тиск найменший. Щоб підвищити кавітаційні якості таких насосів, перед першим щаблем їх встановлюють осьове колесо або шнек, що складається з двох-трьох витків. Вони виконуються з кавітаційно-стійких матеріалів і розвивають на вході в перше колесо багатоступінчастого насоса тиск, що перешкоджає кавітації (див. Рисунок 11, Малюнок 12). На АЕС включені колеса встановлюються зазвичай, в конденсатних і поживних насосах.

Рисунок 11 – Поживний насос ПЕА 1650-75.

1 – вал; 2 – сорочка; 3 – кінцеві ущільнення; 4 – вхідна кришка;
5 – передвімкнене колесо; 6 – робоче колесо; 7 – кожух; 8 – напрямний апарат; 9 – секція; 10 - напірна кришка; 11 – втулка п'яти; 12 – шпилька;
13 – розвантажувальний диск; 14 – підшипник; 15 – плита.

Рисунок 12 – Конденсатний насос КсВА 1500-120.

1 – корпус підведення; 2 – робоче колесо; 3 – ущільнення; 4 – корпус сальника;
5 – підшипник; 6 – вал; 7 – кінцеве ущільнення; 8 – напірна кришка;
9 – внутрішній корпус; 10 – секція; 11 – зовнішній корпус; 12 - напрямний апарат; 13 – передвімкнене колесо; 14 – підшипник; 15 - гвинт, що подає.

Основним заходом проти кавітації в насосах будь-яких типів і конструкцій є дотримання такої висоти всмоктування насоса, коли кавітація не виникає. Така висота всмоктування називається допустимою.

Перевищення напору на вході в насос над напором, рівним тиску насиченої пари рідини, що перекачується, називається кавітаційним запасом D h. Безкавітаційний режим роботи насосів забезпечується при дотриманні умови

Dh ³ Dh дод,

де кавітаційний запас, що допускається

Dh доп = kDh кр;

коефіцієнт запасу k = 1,1?1,5 і встановлюється залежно від умов роботи та типу насоса; Dh кр - кавітаційний запас, який відповідає початку зниження параметрів при кавітаційному випробуванні насоса. Допустимий кавітаційний запас Dh додатково приводиться в характеристиці насоса, що отримується при кавітаційному випробуванні.

Кавітаційний запас Dh визначається залежністю

де р п - тиск насиченої пари;

u - швидкість на вході насоса;

р В – абсолютний тиск на вході насоса;

р А – атмосферний тиск.

За умови р В >р А (негативна висота всмоктування або підпір на вході в насос), де р В =rgН під +Р до +Р А можна записати

де р к – тиск у напірному резервуарі на всмоктуванні.

Якщо р В<р А (положительная высота всасывания или разрежение на входе в насос), то

Висота всмоктування з урахуванням гідравлічних втрат у всмоктувальному трубопроводі Sh вс і швидкісного напору u 2 /2g називається вакууметричною висотою всмоктування:

Висота всмоктування Н вс - це відстань між вільною поверхнею в резервуарі, з якого рідина забирається насосом, та віссю робочого колеса (Малюнок 6).

Вакуметрична висота всмоктування, що допускається, при якій забезпечується робота насоса без зміни основних технічних показників,

.

Допустима висота всмоктування (допустима вакууметрична висота з урахуванням втрат Sh вс)

Оцінка кавітаційних якостей насосів проводиться з урахуванням кавітаційних характеристик, одержуваних випробуванням спеціальних стендах.

Експериментальні методи виявлення та дослідження кавітації.Найбільш старий, але досі найпоширеніший метод – енергетичний. Суть його полягає у наступному. На спеціальному стенді або в робочих умовах під час роботи насоса на постійній температурі та фіксованій подачі рідини проводять зменшення тиску на всмоктуванні. При цьому на кожному ступені тиску всмоктування р вс визначають основні параметри насоса (Q, H, N, h), потім розраховують кавітаційний запас в метрах стовпа рідини Dh, що перекачується, і будують графіки Н = f(Dh), N = f(Dh).

За початок кавітації набувають значення, у якому напір зменшився на 2%. Задля більшої нормальної роботи насоса рекомендується збільшити мінімальний кавітаційний запас А раз, тобто. допустимий запас кавітації дорівнює Dh доп =АDh кр.

Слід зазначити, що певний в такий спосіб початок кавітації є умовним. Насправді власне кавітація починається при значеннях Dh, що істотно перевищують Dh кр, проте чутливість методу не дозволяє цього визначити. Більш точно початок кавітації визначається за зміною віброакустичних характеристик (наприклад, за загальним рівнем вібрацій). Виявлено, що зміна акустичних показників відбувається значно раніше, ніж енергетичних, тобто. акустичний метод дає більш точну інформацію про початок кавітації.

У багатьох випадках, особливо якщо насос працює при великих частотах обертання (з відносними швидкостями потоку більше 15 м/с), можливе ерозійне зношування матеріалу проточної частини, який проявляється з часом і не може бути виявлений енергетичним або акустичним методом. Разом про те визначення можливих місць ерозії дуже бажано, оскільки дозволяє конструктору у багатьох випадках вжити заходів щодо її зменшення. Зони ерозії нині визначають за допомогою експрес-методів. Для цього обтічні потоком поверхні покривають лаковими покриттями, що легко руйнуються, на основі фенолових смол і проводять короткочасні випробування на заданому режимі. Якщо зони ерозії мають місце, руйнується шар покриття. Змінюючи геометрію обтічних поверхонь, можна досягти зменшення зон ерозії або їх ліквідації.

Ще одним методом дослідження кавітації є метод візуалізації, який використовує стробоскопування, швидкісні фото- та кінозйомки та дозволяє представити детальну картину виникнення та розвитку кавітаційних явищ.

Всі перелічені методи взаємно доповнюють один одного і широко використовуються у практичній та дослідній роботах.