Работа 2. Кавитационные испытания центробежного насоса

Кавитацией называется нарушение сплошности потока жид­кости, обусловленное появлением в ней пузырьков или полостей, наполненных паром или газом. Кавитация возникает, когда абсолют­ное давление в потоке падает до давления насыщенных паров жид­кости при данной температуре. При этом из жидкости интенсивно выделяются пузырьки, заполненные парами жидкости и растворён­ными в ней газами (закипание жидкости). Обычно выделение газа из жидкости незначительно и не оказывает существенного влияния на технические параметры работы насосов, поэтому кавитацию на­зывают паровой. В дальнейшем под термином кавитация будем под­разумевать паровую кавитацию.

Выделяющиеся из жидкости в местах пониженного давления пузырьки, заполненные паром, уносятся потоком и, попадая в об­ласть с повышенным давлением, конденсируются. При этом час­тицы жидкости, окружающие пузырьки пара, с весьма большими скоростями устремляются в пространство, занимаемое ранее паром. Происходит столкновение частиц жидкости, сопровождающееся мгновенным местным повышением давления, достигающим сотен и даже тысяч атмосфер. Если конденсация происходит у стенок каналов насоса, то материал стенок быстро разрушается. Причём в первую очередь раз­рушаются те места, в которых имеются мик­роскопические трещины на поверхности сте­нок.

Например, из чугуна прежде всего вы­биваются графитовые включения, а затем жидкость, действуя как клин, ещё более ин­тенсивно разрушает материал стенок, обра­зуя на их поверхности значительные рако­вины.

Кроме того, материал стенок подвергается разрушению от химического воздейст­вия воздуха, богатого кислородом, и различных газов, выделяющихся из жидкости. Описанный процесс разру­шения стенок каналов называется эрозией и является очень опас­ным следствием кавитации. Разрушения рабочих колес вследствие кавитации приведены на рис. 3.

Рис. 3. Разрушение рабочих колес вследствие кавитации

Внешним проявлением кавитации является наличие шума, ви­брации, падение напора, подачи, мощности и КПД. Очевидно, что работа насоса в кавитационном режиме недопустима.

Возникновение и характер кавитационных явлений определя­ются кавитационным запасом D h ‑ превышением удельной энергии жидкости при входе в насос над удельной энергией её насыщенных паров:

, (14)

где р, v ‑ абсолютное давление и скорость на входе в насос;

р _н.n - давление насыщенных паров жидкости на входе в насос, зависящее от рода жидкости и её температуры.

Для воды и бензина р_н.n в кПа приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.

tº C
Вода Бензин Б-70	0.32	1.21	1.69	2.34 16.3	3.17	4.24	7.37 33.2	20.2 55.8	48.2 103.3	103.3

Начальная стадия кавитации определяется критическим кавитационным запасом D h _кр ‑ кавитационным запасом, при котором в насосе наблюдается падение напора на 2% на частной кавитационной характеристике (Н = f (D Н)) или на 1 м при напоре насоса более 50 м.

Величину критического кавитационного запаса Dh_кр можно определить при кавитационных испытаниях насоса по частной кавитационной характе ристике или по формуле С. С. Руднева:

(15)

где n ‑ частота вращения, об/мин;

Q ‑ подача насоса, м ³ /с;

С ‑ кавитационный коэффициент быстроходности, величина ко­торого зависит от конструктивных особенностей насоса и равна: 600‑800 ‑ для тихоходных насосов; 800‑1000 ‑ для нормальных насосов; 1000‑1200 ‑ для быстроходных на­сосов.

Работа насоса без изменения основных технических показате­лей, т.е. без кавитации, определяется допускаемым кавитационным запасом D h _доп, вычисляемым по формуле:

(16)

где А - коэффициент кавитационного запаса A = f (D h _кр) (А = 1,05 ‑ 1,3).

Графическая зависимость допускаемого кавитационного запа­са от подачи в рабочем интервале подач D h _доп = f (Q) называется кавитационной характеристикой насоса (см. рис. 9 и 12). Её получают при кавитационных испытаниях насоса по частным ка­витационным характеристикам.

Частная кавитационная характеристика - это зависимость на­пора насоса от кавитационного запаса при постоянной частоте вращения, подаче и температуре жидкости, H = f (D h) (рис. 5).

При испытаниях насоса кавитационный запас определяется по формуле:

(17)

где p­_а, p_в - показания барометра и вакуумметра.

Полученные опытным путем значения Dh_on приводятся к но­минальной частоте вращения n_н по формуле:18

(18)

и строится частная кавитационная характеристика насоса (см. рис. 2.5).

Рис. 4. Кавитационная характеристика насоса.	Рис. 5. Частные кавитационные характеристики насоса.

По каждой частной кавитационной характеристике находим D h _кр и Q, а затем D h _доп (по формуле 16). По значениям D h _доп и Q ₁ строим кавитационную характеристику D h _доп = f (Q) (см. рис. 4).

Контроль работы насоса при его эксплуатации производится по показаниям вакуумметра, установленного на входе в насос. Связь кавита-ционного запаса с вакуумом можно найти из выражения подставив в него значение абсолютного давления p из формулы (2.14).

(19)

По аналогии с (19) можно записать выражения для крити­ческого и допускаемого вакуума. Критический вакуум

(20)

Допускаемый вакуум

(21)

Употребляется также понятие вакуумметрической высоты вса­сывания Н_в, которая связана с вакуумом зависимостью:

, или (22)

Вакуум на входе в насос зависит от расположения насоса по отношению к свободной поверхности жидкости в приёмном резервуаре геометрической высоты всасывания H _ВС, режима работы насосов и других факторов.

Такая зависимость находится с помощью уравнения Бернулли:

(23)

где h _вс ‑ потери насоса во всасывающем трубопроводе.

Максимальная (критическая) высота всасывания, т.е. высота, при которой начинается кавитация, вычисляется по формуле:

, или (24)

Допускаемая высота всасывания H _ВС, т.е. высота, при которой обеспечивается бескавитационная работа насоса, равна:

, или (25)

Цель работы:

1. Убедится на практике в существовании явления кавитации в центробежном насосе и уяснить причины её возникновения.

2. Освоить методику кавитационных испытаний центробежного насоса.

3. Получить в результате испытаний кавитационную характеристику насоса.

Рис. 6. Схема установки для кавитационных испытаний насоса.

Описание установки. Установка с замкнутой схемой циркуляции жидкости (рис. 6) включает в себя: испытуемый центробежный насос 1, бак 3, всасывающий 2 и нагнетательный 6 трубопроводы, задвижку 5, вакуумный насос 4, контрольно-измерительную аппаратуру (манометр 9 и вакуумметр 8, диафрагму с подключенным к ней дифференциальным манометром 7, ватт‑метр 10 и тахометр 11).

Порядок выполнения работы и обработка опытных данных для получения частных кавитационных характеристик:

Частные кавитационные характеристики H = f (D h) следует получить для минимальной, номинальной и максимальной подач насоса.

С этой целью необходимо:

1. Включить насос 1 и обеспечить заданную подачу задвижкой 5.

2. Уменьшать ступенчато давление на входе в насос включением вакуумного насоса 4, начиная с давления, заведомо исключающего кавитацию, и заканчивая при резком падении напора, обеспечивая при этом Q _i = const и снимая на каждой ступени показания мано­метра 9, вакуумметра 8, дифманометра 7 и тахометра 11. Резуль­таты измерений записать в табл. 3.

3. Вычислить параметры, необходимые для построения частной кавитационной характеристики: напор насоса Н - по формуле (2); подачу Q - по формуле (9); кавитационный запас D h _оп по формуле (17).

Если в опытах частота вращения n _оп отличается от номиналь­ной n _н более чем на 0,5%, кавитационный запас D h _оп необходимо привести к n _н по формуле (18). Если же n _оп отличается от n _н ме­нее чем на 0,5%, необходимо принять D h = D h _оп.

4. Результаты вычислений записать в табл. 3 и построить по ним частные кавитациопные характеристики (см. рис. 5).

Таблица 3.

Измеряемые параметры	Рассчитываемые параметры
Pa, Па	Pм, Па	Рв, Па	h, мм.ртст	n оп, об/мин	H, м	Q, л/с	v, м/с	D h оп, м	D h, м

 

Порядок выполнения работы и обработка опытных данных для получения кавитационной характеристики.

Для получения кавитационной характеристики D h _доп = f (Q) необходимо:

1. По каждой частной кавитационной характеристике H _i = f (D h) определить допускаемый кавитационный запас D h _доп = А D h _кр, предварительно определив критический кавитационный запас D h _кр по падению напора на 2 % на кривой H_i = f (D h). Коэф­фициент кавитационного запаса A = f (D h _кр) взять из табл. 4.

Таблица 4.

D h КР, м	0…2.5								³14
А	1.3	1.25	1.2	1.13	1.1	1.09	1.08	1.07	1.06

2. Результаты расчётов свести в табл. 5 и построить по дан­ным этой таблицы кавитационную характеристику D h _доп = f (Q) (см. рис. 4).

Таблица 5.

Q, л/с	D h кр, м	А	D h доп, м
Q min Q н Q max	D h кр1 D h кр2 D h кр3	А 1 А 2 А 3	D h доп1 D h доп2 D h доп3

Основные контрольные вопросы

1. Что такое кавитация, каковы её внешние признаки?

2. Что называется кавитационным запасом D h и как его опре­делить при испытаниях?

3. Что называется критическим кавитационным запасом D h _кр?

4. Что называется допускаемым кавитационным запасом D h _доп?

5. Формула Руднева для определения критического кавитационного запаса?

6. Что такое высота всасывания и как она связана с кавитацией?

7. Что называется кавитационной характеристикой и как она изображается графически?

8. Что называется частной кавитационной характеристикой и как её получить при испытаниях?

9. Порядок работы при снятии частной кавитационной харак­теристики.

10. Как получают кавитационную характеристику центробеж­ного насоса?

Библиографический список к работе 2:

8. Богомолов А.И., Михайлов К.А. Гидравлика: Учебник для гидротехнических специальностей вузов. -М.: Стройиздат, 1972, -648 с.;

20. Докукин А.В. и др. Радиально-поршневые гидромоторы многократного действия. -М.: Машиностроение, 1980. -288 с.