Лабораторные работы гидромеханика. Методические указания. 2020 sunspire
 Скачать 5.64 Mb.
|
|
2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 64 Таблица 2 – Результаты измерений и вычислений Измерения Вычисления P M , Па P V , Па h, мм.рт. F, Н n exp , об мин Q exp, л/с Q exp, мс υ s , мс υ p , мс H exp, мВт, л/с H, мВт, мс N pump , Вт Виртуальная лабораторная работа из курса гидромеханики Кавитационные испытания центробежного насоса ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Рисунок 11.1 – Внешний вид симуляционной лабораторной установки 12 1 4 11 13 3 7 8 2 10 5 6 Виртуальная лаборатория гидромеханики 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 65 Симуляционная модель лабораторной установки (рисунок 11.1) включает электродвигатели (1, 2), испытываемый центробежный насос (3), резервуар (4), всасывающий и нагнетательный трубопроводы, вентиль изменения расхода (5), вакуумный насос (6), контрольно-измерительную аппаратуру манометр (7) и вакуумметры (8, 9), диафрагму с подключенным к ней дифференциальным манометром (10) и тахометр (11), пульты включения электропитания центробежного (12) и вакуумного насосов (13). ОПИСАНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА Кавитацией называется нарушение сплошности потока жидкости, обусловленное появлением в ней пузырьков или полостей, наполненных паром и газом. Кавитация возникает, когда абсолютное давление в потоке падает до давления насыщенных паров жидкости приданной температуре. При этом из жидкости интенсивно выделяются пузырьки, заполненные парами жидкости и растворенными в ней газами (жидкость закипает. 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 десятков, и даже сотен мегапаскалей. Если конденсация происходит у стенок каналов насоса, то материал стенок быстро разрушается. Причем, 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, еще 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 опасным следствием кавитации. Разрушения рабочих колес вследствие кавитации представлены на рисунке 11.2. Виртуальная лаборатория гидромеханики 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 66 Рисунок 11.2 – Разрушение рабочих колес вследствие кавитации Внешним проявлением кавитации является наличие шума, вибрации, падение напора, подачи, мощности и КПД. Очевидно, что работа насосав кавитационном режиме недопустима. Возникновение и характер кавитационных явлений определяются кавитационным запасом Δh ‒ превышением удельной энергии жидкости при входе в насос над удельной энергией её насыщенных паров g p g g p h S vapor 2 2 , (1) где р и υ S ‒ абсолютное давление и скорость на входе в насос р ‒ давление насыщенных паров жидкости на входе в насос, зависящее от рода жидкости и её температуры. Для воды и бензина р приведены в табл. 1. Таблица 1 – Давление насыщенных паров жидкости на входе в насос p vapor , кПа t, о 5 10 15 20 25 30 40 60 80 100 Вода 0,32 1,21 1,69 2,34 3,17 4,24 7,37 20,2 48,2 103,3 Бензин ‒ ‒ ‒ 16,3 ‒ ‒ 33,2 55,8 103,3 ‒ Начальная стадия кавитации определяется критическим кавитационным запасом Δ h cr ‒ кавитационным запасом, при котором в насосе наблюдается падение напора на 2% на частной кавитационной характеристике (Н, или нам при напоре насоса болеем. Величину критического кавитационного запасам, можно определить при кавитационных испытаниях насоса по частной кавитационной характеристике, или по формуле 4 3 cr 10 C Q n h , (2) где n ‒ частота вращения, об/мин; Q ‒ подача насосам 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. Виртуальная лаборатория гидромеханики 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 67 Работа насоса без изменения основных технических показателей, те. без кавитации, определяется допускаемым кавитационным запасом Δh perm , вычисляемым по формуле cr perm h A h , где А ‒ коэффициент кавитационного запаса (A=1,05‒1,3=f (Δh cr )) (табл. 2). Таблица 2 – Коэффициент кавитационного запаса, m 0‒2.5 3 4 6 7 8 10 12 14 А 1,3 1,25 1,2 1,13 1,1 1,09 1,08 1,07 1,06 Графическая зависимость допускаемого кавитационного запаса от подачи в рабочем интервале подач Δ h perm = f(Q) называется кавитационной характеристикой насоса (рис. 11.3). Её получают при кавитационных испытаниях насоса по частным кавитационным характеристикам. Рисунок 11.3 – Кавитационная характеристика насоса Частная кавитационная характеристика ‒ это зависимость напора насоса от кавитационного запаса при постоянной частоте вращения, подаче и температуре жидкости, H=f(Δh) (рис. 4). При испытаниях насоса кавитационный запас определяется по формуле 2g 2 S vapor. V atm exp v g p p p h , где p atm ≈ 10 5 Па ‒ атмосферное давление p V ‒ показания вакуумметра, Па. Полученные опытным путем значения Δ h exp приводятся к номинальной частоте вращения n nom по формуле 2 exp nom exp n n h h (затем строится частная кавитационная характеристика насоса (рис. 11.4). Δh perm , м Q, л/с Δh perm =f(Q) 1 2 3 Q min Q nom Q max Виртуальная лаборатория гидромеханики 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 68 Рисунок 11.4 – Частные кавитационные характеристики насоса По каждой частной кавитационной характеристике находятся Δ h cr и Q, а затем Δh perm (по формуле 3). По значениями строится кавитационная характеристика Δ h perm = f (Q) (рис. 4). Контроль работы насоса при его эксплуатации производится по показаниям вакуумметра, установленного на входе в насос. Связь кавитационного запаса с вакуумом можно найти из выражения g p g p p H V atm vac (6) и далее, произведя подстановку в (6) значение абсолютного давления p из формулы (1): 2 2 S vapor v p g h p , (7) g h g p p g p p H 2 2 S vapor atm atm vac (По аналогии с (8) можно записать выражения для критического и допускаемого вакуума. Критический вакуум g h g p p H 2 2 S cr vapor atm cr vac (Допускаемый вакуум g h g p p H 2 2 S perm vapor atm perm vac (10) H Δh Q min = const Q nom = const Q max = const 1 2 3 Δh cr1 Δh cr2 Δh cr3 2%H 2%H 2%H Виртуальная лаборатория гидромеханики 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 69 Употребляется также понятие вакууметрической высоты всасывания Н, которая связана с вакуумом зависимостью g g p p H 2 2 S vapor atm S , (11) или h H H vac S (Вакуум на входе в насос зависит от расположения насоса по отношению к свободной поверхности жидкости в приемном резервуаре геометрической высоты всасывания H S , режима работы насосов и других факторов. Такая зависимость находится с помощью уравнения Бернулли S 2 S S vapor atm vac 2g g h H p p H (где h S ‒ потери напора во всасывающем трубопроводе. Максимальная (критическая) высота всасывания, те. высота, при которой начинается кавитация, вычисляется по формуле S 2 S cr vac cr S 2g h H H (14) или S cr vapor atm cr S g h h p p H (15) Допускаемая высота всасывания H S , те. высота, при которой обеспечивается бескавитационная работа насоса, равна S 2 S perm vac S 2g h H H (16) или S perm vapor atm S h h g p p H (17) ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Цели лабораторной работы 1. Убедиться на практике в существовании явления кавитации в центробежном насосе и уяснить причины ее возникновения. 2. Освоить методику кавитационных испытаний центробежного насоса. 3. Получить в результате испытаний кавитационную характеристику насоса. Порядок действий и обработка экспериментальных данных Частные кавитационные характеристики H=f(Δh) следует получить для минимальной ( Q min ≈1,45 л/с), номинальной ( Q nom ≈2,2 л/с) и максимальной ( Q max ≈3,2 л/с) подач насоса. Для этого необходимо Виртуальная лаборатория гидромеханики 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 70 1. Включить насос и обеспечить заданную минимальную подачу вентилем изменения расхода, предварительно определив для нее примерный перепад давлений на дифманометре h мм. рт. ст из формулы (18). 2. Уменьшать ступенчато давление на входе в насос, включением вакуумного насоса, начиная с давления, заведомо исключающего кавитацию, и заканчивая прирезком падении напора, обеспечивая при этом Q i =const, и снимая на каждой ступени показания манометра, вакуумметров, дифманометра и тахометра. Результаты измерений занести в табл. 3. 3. Повторить пункты 1 и 2 для номинальной и максимальной подачи. 4. Вычислить параметры, необходимые для построения частной кавитационной характеристики подачу насоса Q [л/с]: h C Q exp , (где С ‒ постоянная диафрагмы (С h ‒ перепад давлений по дифманометру, мм. рт. ст скорости во всасывающем и напорном трубопроводах υ S и υ P , принимая диаметры трубопроводов из табл. 5 и переведя для этого Q в мс 2 S exp S 4 d Q , (19) 2 P exp P 4 d Q , (20) где Q exp – подача насосам си диаметры, соответственно, всасывающего и напорного трубопроводов, м (выбираются в зависимости от типа применяемого насоса напор насоса Н, имея ввиду, что z M = 0,50 м g z g p p H 2 2 S 2 P M V M , (21) где p M и р ‒ показания манометра и вакуумметра, расположенных, соответственно, на напорном и всасывающем патрубках насоса, Па z M ‒ превышение оси вращения стрелки манометра над точкой подключения вакуумметрам кавитационный запас Δh exp ‒ по формуле (4), принимая давление насыщенных паров pн.п. по табл. 1 для заданной температуры жидкости. Если в опытах частота вращения оп отличается от номинальной n nom ( n nom =2900 об/мин) более чем на 0,5%, кавитационный запас Δ h exp необходимо привести к n nom по формуле (5). Если же n exp отличается от n nom менее чем на 0,5%, принять Δ h=Δh exp . Результаты вычислений занести в табл. 3. 5. Построить по результатам табл. 3 частные кавитационные характеристики Н) (см. рис. 5) для минимальной, номинальной и максимальной подач насоса. 6. Для получения кавитационной характеристики Δ h perm = f(Q) необходимо по каждой частной кавитационной характеристике H i = f(Δh) определить допускаемый кавитационный запас Δ h А cr , предварительно определив критический кавитационный запас Δ h cr по падению напора на 2% на кривой H i = f(Δh) и коэффициент кавитационного запаса A=f(Δh cr ) из табл. 2. 7. Результаты расчетов поп свести в табл. 4 и построить поданным этой таблицы кавитационную характеристику Δ h perm = f (Q) (см. рис. 11.3). Виртуальная лаборатория гидромеханики 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 71 8. Дать заключения по лабораторной работе. Таблица 3 – Измеряемые и рассчитываемые параметры для построения частных кавитационных характеристик насоса Начальные условия и измеряемые параметры Рассчитываемые параметры P atm /t , Па/ о С P M , Па Р, Па h, мм.рт.с. n exp , об/мин Q, л/с Q, мс υ s , мс υ p , мс H, мм, м Таблица 4 – Данные для построения кавитационной характеристики насоса Q, л/с h cr , мА, мА А = … h perm2 = … Q max = … h cr3 = … А = … h perm3 = … Таблица 5 – Диаметры всасывающего и напорного трубопроводов в лабораторной установке Параметрические испытания насоса» Модель насоса Диаметр всасывающего трубопроводам Диаметр напорного трубопроводам К 18/8 (К 6) 0.05 0.032 К 20/20 (К 6) 0.065 0.05 К 20/18 (К 9) К 45/55 (К 6) 0.08 К 45/30 (К 9) 0.065 К (К 6) 0.1 Виртуальная лаборатория гидромеханики 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 72 Виртуальная лабораторная работа из курса гидромеханики Исследование характеристик центробежного вентилятора ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Симуляционная модель лабораторной установки (рисунок 12.1) включает электродвигатель (1), центробежный вентилятор (2), всасывающий трубопровод (3), нагнетательный трубопровод (4), узел замера статического давления во всасывающем трубопроводе (5), узел замера разрежения в коллекторе (6), задвижку (7), пульт включения электродвигателя (8), регулятор скорости вращения вентилятора (9), тахометр (10), электроизмерительные приборы (11), дифференциальный спиртовой манометр (12) и микроманометр (13). Рисунок 12.1 – Внешний вид симуляционной лабораторной установки 5 7 4 1 6 13 12 9 10 2 8 11 Виртуальная лаборатория гидромеханики 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 73 ОПИСАНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА Измерение разрежения ( P vac ) производится по шкале микроманометра. В наклонном состоянии измерительной трубки прибора жидкость (подкрашенный спирт, расположенная внутри трубки, имеет горизонтальную свободную поверхность, следовательно, отсчет по шкале необходимо брать относительно центра свободной поверхности жидкости. Текущий расход воздуха (мс) в системе рассчитывается по уравнению 0 vac S cur 2 g P S Q , (1) где φ – коэффициент коллектора, φ = 0,98…0,99; S s – площадь сечения всасывающего трубопроводам ускорение свободного падения, g = 9,80665 мс ρ 0 – плотность воздуха, ρ 0 = 1,225 кг/м 3 ; P vac – разрежение в коллекторе (определяется по микроманометру манометру, кгс/м 2 : 1000 m sp m vac k H P , (2) где H m – показание по шкале микроманометра, мм. спиртового столба ρ sp – плотность спирта, ρ sp = 800 кг/м 3 ; k m – коэффициент микроманометра, равный синусу угла наклона измерительной трубки прибора (k m = 0,4); Δ – поправка на изменение микроклиматических условий в зоне измерения разрежения atm k 293 273 760 P t , (3) где t k – температура воздуха в коллекторе, 0 C; P atm – атмосферное давление, мм. ртутного столба. Для нормальных условий (t k = 20 0 C и P atm = 760 мм.рт.ст.) Δ = 1. Измерение статического давления во всасывающем трубопроводе производится по миллиметровой шкале дифференциального спиртового манометра, расположенного на измерительном стенде установки, относительно нулевой отметки шкалы (рисунок 12.2). |