Построение кавитационной характеристики

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.

 

Описание установки

 

Экспериментальные исследования проводятся на лабораторной установке, представленной на рис. 12.2. Она состоит из бака 1, заполненного водой, центробежного насоса 2 с электродвигателем 3, ваттметра 4, всасывающего трубопровода 5, вентилей 6 и 11, вакуумметра 7, манометра 8, напорного трубопровода 9, расходомера турбинного 10 и вакуум-насоса 12 (рис. 12.2).

Во время проведения опытов в баке 1 с помощью вакуум-насоса 12 создается разрежение. Подача воды осуществляется насосом типа “КАМА-3”. Внутренний диаметр всасывающего и нагнетающего трубопроводов равен 0,018 м. Расход воды измеряется с помощью турбинного расходомера 10.

 

Проведение опытов и измерения

 

1. Проверяется герметичность всех соединений насосной установки. Полностью открывается вентиль 6 на всасывающем трубопроводе 5 (рис. 12.2).

 

Рис. 12.2. Схема установки для снятия кавитационной характеристики центробежного насоса

 

2. Полностью закрывается вентиль 11 и включается центробежный насос.

3. Частично открывается вентиль 11 и устанавливается заданный режим работы насоса по Q и H при n = const. На данном режиме работы насоса снимаются показания всех приборов и заносятся в табл. 12.2.

4. С целью снижения давления во всей системе насосной установки включается вакуум-насос 12.

5. Проводятся кавитационные испытания насоса в непрерывном режиме. Независимым параметром является давление во всасывающей линии P_1B. Первоначально опытные данные снимаются через 0,2 кгс/см², а затем, начиная с 0,8 через 0,02 кгс/см².

6. Измерение параметров по всем приборам проводятся одновременно, после чего их значения заносятся в табл. 12.2.

При отсутствии кавитации, все основные параметры H, Q и N остаются постоянными (рис 12.1). Однако P_1B в потоке воды на входе в насос возрастает, а, следовательно, P_1абс уменьшается.

Как только P_1абс достигает критического значения, возникает кавитация. При этом появляется характерный шум и вибрация насоса, основные параметры его резко снижаются.

7. Снимаются опытные данные для 3-х точек при кавитации. Опыты заканчиваются при максимальном значении разрежения кгс/см².

 

Вычисления и составление отчета

 

1. Для каждого опыта определяется:

напор насоса

 

, м (12.10)

 

подача насоса

, м³/с (12.11)

 

где V = V₂ - V₁ - объем воды, прошедший через расходомер за время t=30с;

мощность потока жидкости

 

, Вт (12.12)

 

мощность приводного двигателя

 

, Вт (12.13)

 

к.п.д. насоса

(12.14)

 

2. Определяется абсолютное давление в потоке воды перед входом в насос

, Па (12.15)

 

3. Находится средняя скорость потока воды во всасывающем патрубке насоса по формуле

, м/с (12.16)

 

4. Для каждого опыта вычисляется кавитационный запас по формуле

, м (12.17)

 

Значение , необходимые для расчета, приведены в табл. 12.1.

5. По результатам вычислений строится кавитационная характеристика насоса H = H (; N = N (; Q = Q (, с помощью которой определяется первый и второй значения критического кавитационного запаса.

6. Критический кавитационный запас также определяется по формуле С.С. Руднева.

7. Определяется допустимый кавитационный запас по формуле (12.6)

Таблица 12.1

 

t,^0C	м вод. ст.	t,^0C	м вод. ст.
	0,083 0,095 0,109 0,125 0,143 0,163 0,185		0,210 0,238 0,270 0,304 0,343 0,385 0,433

 

Все результаты измерений и вычислений заносятся в табл. 12.2

Таблица 12.2

 

N п/п

Подача насоса

Напор насоса

Мощность

К.п.д. насоса

Абсолютное давление

Средняя скорость

Кавитационный запас

V, м^3

Q, м^3/с

кгс/см^2

кгс/см^2

Н, м

Nж, Вт

Nэ, Вт

N, Вт

, %

Р1абс, Па

, м/с

, м

1.

2.

3.

4.

5.

6.

 

В выводах по работе следует указать причины возникновения явления кавитации, дать анализ кавитационной характеристики насоса и пояснить методику определения допустимого кавитационного запаса.

 

Лабораторная работа № 13