Допустимая высота всасывания и кавитация

Допустимая  высота всасывания и кавитация. 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.

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 DR_зап - 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 v²₁/2g.

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:

Геометрическая  высота нагнетания и напор насоса.

Схема работы насоса, включенного  в систему, нагнетающую жидкость, из резервуара А в напорный резервуар В, показана на рис.  б

 Протекающей через рабочее колесо жидкости сообщается энергия, которая расходуется на подъем ее и напорный резервуар и на преодоление сопротивлений в напорном трубопроводе.

Геометрической  высотой нагнетания hн называют вертикальное расстояние от центральной оси насоса до уровня жидкости и напорном резервуаре.

Создаваемый насосом полный напор Н определяется разностью напоров, создаваемых потоком жидкости в двух сечениях, соответствующих началу нагнетательного трубопровода (H₂) и концу всасывающего трубопровода H₁, т. е. Н = H₂—H₁. В этих сечениях обычно устанавливают манометры и вакуумметры.

Определим значения напора потока в  сечении 1—1, где установлен вакуумметр, и в сечении 2—2, где расположен манометр. Принимая за плоскость сравнения О—О уровень свободной поверхности жидкости в резервуаре А, получим выражения для определения значений удельной энергии:

       

где z_вак и z_ман — вертикальные расстояния от центров вакуумметра и манометра до оси насоса; Р₁ и Р₂ — абсолютное давление в местах установки приборов; V₁ и V₂ — скорости во всасывающей и нагнетательной трубах.

Следовательно, полный напор  насоса

        где       

 

Вакуумметр показывает значение разрежения (вакуума) Hвак во всасывающей трубе, поэтому

 или  

Манометр показывает избыточное давление в нагнетательном трубопроводе, поэтому

 или 

Подставляя эти значения получим

В случае равенства диаметров  всасывающего и нагнетательного трубопроводов (V1 = V2) и при расположении вакуумметра и е манометра на одном уровне

(Dh = 0) полный напор насоса

При подборе насоса для данной установки потребный напор насоса рассчитывают по формуле

где hвc, hн — соответственно геометрическая высота всасывания и нагнетания;

h_s вс, h_s н— соответственно потери напора во всасывающем и нагнетательном трубопроводах,

или иначе                 

где - полная высота подъема жидкости; сумма гидравлических потерь напора во всасывающем и напорном трубопроводах.

 

Мощность и  коэффициент полезного действия насоса. Полезную, или теоретическую, мощность насоса N (кВт) определяют как произведение весовой подачи на напор:

где pg— удельный вес жидкости, Н/м³; Q— объемная подача насоса, м/с; H— напор, развиваемый насосом, м.

Полезная (или теоретическая) мощность насоса Nп всегда меньше затрачиваемой мощности или мощности, подводимой к валу насоса N, так как в насосе неизбежно возникновение потерь энергии:

Общие потери (гидравлические, объемные и механические), возникающие при передаче энергии перекачиваемой жидкости, учитывает полный коэффициент полезного действия.

Гидравлическими потерями называют потери энергии на преодоление гидравлических сопротивлений при движении жидкости от входа в насос до выхода из него. Эти потери энергии учитываются гидравлическим КПД

где Н— требуемый напор насоса; h — потери напора внутри насоса.

В современных насосах  КПД = 0,8...0,95.

Объемными потерями называют потери энергии, возникающие в результате утечки жидкости из нагнетательной части насоса во всасывающую. Например, через рабочее колесо выходит жидкость в количестве Qк, основная часть которой по ступает в напорный патрубок насоса, а другая часть возвращается на всасывание через зазоры в уплотнении между корпусом насоса и колесом. При этом теряется часть энергии. Эти потери оценивают объемным КПД насоса:

где Q — подача насоса; Qк — расход жидкости, проходящей через колесо насоса, в современных насосах 0,9...0,98.

Потери энергии, возникающие вследствие трения в подшипниках, сальниках, а также вследствие трения наружной поверхности рабочего колеса о жидкость, называют механическими потерями. Эти потери учитываются механическим КПД:

где N— мощность, подводимая к валу насоса; Nтр — потери мощности на преодоление сопротивления трения.

Механический КПД может  составлять 0,95...0,98. Полный КПД насоса представляет собой произведение всех трех коэффициентов полезного действия:

и характеризует совершенство конструкции насоса и степень  его изношенности.

Максимальный КПД крупных  современных насосов достигает 0,9 и более, а КПД малых насосов может составлять 0,6...0,7.

На КПД насоса влияет коэффициент быстроходности. Общий  характер этого влияния показывают кривые, приведенные на рис. из которых следует, что максимальные КПД соответствуют диапазону ns = 140...220 об/мин, причем существенное влияние оказывает подача Q, т. е. размер насоса. С ростом подачи Q увеличивается и КПД насоса.

 

Влияние быстроходности на характеристики (а)

При непосредственном соединении вала насоса с валом электродвигателя мощность Nдв (кВт) электродвигателя

где К— коэффициент запаса, учитывающий случайные перегрузки двигателя; при мощности двигателя до 2 кВт рекомендуется принимать коэффициент К равным 1,5; от 2 до 5 кВт— 1,5...1,25; от 5 до 50 кВт- 1,25.. 1,15; от 50 до 100 кВт-1,15...1,05; более 100 кВт- 1,05.

Если вал насоса соединен с валом двигателя редуктором или ременной передачей, то мощность двигателя Nдв = KN/h _пр , где h _пр — КПД привода или редуктора.

Зависимость напора от количества и формы лопаток. Нетрудно заметить, что развиваемый центробежным насосом напор зависит от формы лопаток и создаваемого ими соотношения скоростей. Различают три типа лопаток: отогнутые назад (по ходу вращения рабочего колеса); отогнутые вперед; с радиальным выходом.

Лопатки первого типа обеспечивают наименьшие гидравлические потери и больший КПД. Причем изменение подачи практически не влияет на потребляемую мощность, что благоприятно воздействует на условия работы двигателя, который даже при изменении подачи насоса работает в постоянном режиме.

При использовании лопаток, отогнутых  вперед, с радиальным выходом наблюдаются  значительные гидравлические потери и снижение КПД насоса. Это происходит в результате резкого увеличения сечений канала между лопатками. В данном случае незначительное изменение подачи приводит к резкому изменению мощности и, следовательно, требуется двигатель повышенной мощности.

Характеристика насоса. Характеристикой центробежного насоса, или внешними и рабочими характеристиками, называют графическую зависимость основных показателей насоса, таких как напор, мощность и КПД, от подачи, а кавитационной характеристикой — график зависимости напора, подачи и КПД от избыточного напора на всасывании Н.

Все параметры насоса взаимосвязаны, и изменение одного из них неизбежно  влечет за собой изменение других. Если при постоянной частоте вращения ротора увеличить подачу насоса, то создаваемый им напор уменьшится. При изменении условий работы КПД насоса также меняется: при некоторых определенных значениях расхода и напора КПД насоса будет максимальным, а при всех других режимах его работы насос работает с худшим КПД. Отметим, что на КПД сильно влияет коэффициент быстроходности .

Характеристики центробежных насосов  наглядно показывают эффективность  их работы на различных режимах и  позволяют точно подобрать наиболее экономичный насос для заданных условий работы.

Рабочая характеристика насоса вследствие гидравлических потерь и непостоянства гидравлического КПД отличается от теоретической.

Потери напора в рабочем колесе складываются из потерь на Трение в  каналах колеса, потерь на удар при  отклонениях скорости на входе в колесо от касательного направления в лопатке и др.

Как видно из рис.   б, все зависимости строят на одном графике в соответствующих масштабах, причем подачу Q насоса откладывают по оси абсцисс, а напор Н, вакуумметрическую высоту, мощность и КПД — по оси ординат.

Чтобы определить по рабочей характеристике необходимые параметры насоса, поступают следующим образом. По заданной подаче насоса Qo находят на кривой Q —Н точку С, от которой проводят горизонтальную линию до пересечения со шкалой Н, где находят напор, соответствующий заданному расходу. Для определения мощности и КПД насоса проводят горизонтальные прямые из точек А и В и на шкалах N и h и таким образом находят соответствующие значения No и h_o.