лаб.работа. Лабораторная работа 1 Снятие

• Название: Лабораторная работа 1 Снятие
• Дата: 21.06.2022
• Размер: 3.07 Mb.
• Имя файла: лаб.работа.docx
• Тип: Документы; #608767
• страница: 3 из 10

ЛАБОРАТОРНО-РАСЧЕТНАЯ РАБОТА № 3

Снятие кавитационной характеристики пожарного центробежного насоса

1. 
   Общие теоретические сведения
   

Известно, что любое вещество в зависимости от внешних усло- вий (давление и температура) может находиться в газообразном, жидком, твердом агрегатных состояниях (фазах), а также однов- ременно в двух или трех состояниях.

Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением, из жидкого в газообразное — испарением, из твердого в газообразное — сублимацией. Обратные процессы соответствен- но называются кристаллизацией, конденсацией и десублимацией.

Пар — вещество в газообразном состоянии в условиях, когда оно может находиться в равновесии с тем же веществом в кон- денсированном состоянии (жидком или твердом). Понятие «пар» мало отличается от понятия «газ», поэтому деление это чисто условное. Если пар находится в термодинамическом равновесии с жидкой или твердой фазой того же вещества, он называется на- сыщенным. Давление насыщенного пара связано определенной для данного вещества зависимостью от температуры. Другими словами, давление насыщенного пара — это функция температу- ры. Температура кипения любой жидкости постоянна при задан-
ном атмосферном или ином внешнем давлении, но повышается с повышением давления и понижается с его понижением. Ког- да внешнее давление падает ниже давления насыщенного пара, происходит кипение (жидкости) или сублимация (твердого тела); когда оно выше, напротив, — конденсация или десублимация.

Так, к примеру, вода может закипеть при температуре 20 ˚С, если давление составит 17,39 мм рт. ст., т. е. станет значительно ниже атмосферного — 760 мм рт. ст. (0,1 МПа).

Перегретый пар имеет температуру бо́льшую температуры на- сыщения для данного давления.

Справочные данные. Из 1 л воды при полном ее испарении можно получить 1244,4 л пара. Действительно, литр пресной воды весит 1000 г. Одна грамм-молекула газа (пара) занимает объем 22,4 л. Масса молекулы воды равна 18 г/моль (18 г). Соста- вим пропорцию: 18 г занимают объем 22,4 л, а 1000 г — Х. Отсюда Х = 1244,4 л, или 1,2444 м ³.

2. 
   Физическое явление кавитации
   

Кавитация (от лат. сavitas — пустота) представляет собой слож- ный комплекс следующих явлений:

1. 
   образование в потоке жидкости большого количества мельчайших полостей (т. н. кавитационных пузырьков, или ка- верн), наполненных парами жидкости и газами, выделившимися из нее в тех областях, где местное давление жидкости равно или меньше давления ее насыщенных паров. Образование пузырьков внешне похоже на кипение жидкости;
   
2. 
   местное повышение скорости движения жидкости вслед- ствие стеснения поперечного сечения потока выделившимися пу- зырьками пара или газа и беспорядочное движение жидкости;
   
3. 
   конденсация — «схлопывание» кавитационных пузырь- ков, увлеченных потоком жидкости в область повышенного дав-
   

ления. Конденсация каждого из пузырьков приводит к резкому уменьшению объема и гидравлическому удару в микроскопиче- ских зонах, однако бомбардировка кавитацией большой площади поверхности приводит и к большим площадям разрушения. Мно- гократно повторяющиеся механические воздействия при конден- сации пузырьков вызывают механический процесс разрушения материала деталей, что является наиболее опасным следствием кавитации;

4. 
   химическое разрушение металла в зоне кавитации кис- лородом воздуха, выделившегося из жидкости при прохождении ее в зонах пониженного давления. Этот коррозионный процесс, действующий одновременно с цикличными механическими воз- действиями, снижает прочность металла деталей.
   

Справочные данные. Кавитация называется гидродинамиче- ской, если понижение давления происходит вследствие местного повышения скорости в потоке жидкости; акустической, если по- нижение давления происходит вследствие прохождения в жидко- сти акустических волн большой интенсивности.

1. 
   Полезные применения кавитации
   

Как известно, «у природы нет плохой погоды…», равно как

«плохих» и «хороших» явлений. Отсюда будущему инженеру це- лью изучения общеобразовательных дисциплин следует ставить уяснение качественных особенностей их проявлений. Это необ- ходимо для того, чтобы в дальнейшем, при разработке техниче- ских решений курсовых, дипломных и других проектов, усили- вать эффект того или иного природного явления либо, напротив, его нивелировать.

Возьмем, к примеру, явление трения. Для повышения сцепле- ния под колеса автомобиля сыплют щебень, а трамвая или локо- мотива — песок. Напротив, для минимизации трения и связан-

ных с ним износов и потерь мощности обычно применяют смазку консистентную либо жидкую (последняя предпочтительнее).
Так, хотя кавитация нежелательна во многих случаях, есть исключения. Явление кавитации успешно применяют в промыш- ленности, медицине, военной технике и других областях.

Например, сверхкавитационные торпеды, используемые во- енными, обволакиваются в большие кавитационные пузыри.

Существенно уменьшая контакт с водой, эти торпеды могут пе- редвигаться значительно быстрее, чем обыкновенные торпеды. Например, сверхкавитационная торпеда «Шквал» в зависимости от плотности водной среды развивает скорость до 500 км/ч.

Кавитацию используют для обработки топлива — во время обработки топливо дополнительно окисляется (при проведении химического анализа сразу появляется большее количество смол) и перераспределяется соотношение фракций. Эти изменения, если топливо сразу поступает к потребителю, повышают его каче- ство и калорийность, в результате получается более полное сгора- ние и уменьшение массовой доли загрязняющих веществ.

Кавитационные процессы имеют высокую разрушительную силу, которую используют для дробления твердых веществ, нахо- дящихся в жидкости. Одним из применений таких процессов яв- ляется измельчение твердых включений в тяжелых топливах, что используется для обработки котельного топлива в целях увеличе- ния калорийности его горения.

Кавитационные устройства снижают вязкость углеводородно- го топлива, что позволяет снизить необходимый нагрев и увели- чить дисперсность распыления топлива форсунками.

Кавитационная дезинтеграция используется в качестве фак-

тора технологического воздействия в процессах и аппаратах при производстве хлебопродуктов и переработке сельхозсырья.

Пожарно-спасательный автомобиль ПСА-С производства ОАО «Варгашинский завод противопожарного и специального оборудования» оборудован высокоэффективным кавитационным теплогенератором конструкции А. Г. Кочурова модели ВТГ-110.

В условиях ЧС агрегат предназначен для целей отопления и го- рячего водоснабжения отдельно стоящих зданий (больницы, род-
дома и др.). Кроме того, он может быть применен для подпитки магистральных пожарных рукавных линий, а также для подогрева воды в цистерне. Аналогичное предназначение имеют роторные кавитационные насосы-теплогенераторы А. Д. Петракова.

Для исключения размораживания цистерны пожарного авто-

мобиля воду предлагается подогревать способом многократной рециркуляции (перепуска) по кругу: цистерна — пожарный на- сос — кавитаторная насадка — цистерна.

2. 
   Кавитация в насосах
   

Поскольку кавитация — гидродинамическое явление, она за- висит от гидродинамических свойств рабочих органов насоса.

Кавитация — это также термодинамическое явление. Она зависит от физических свойств жидкости.

Кавитация возникает в местах контакта жидкости с быстро- движущимися твердыми объектами (рабочие органы насосов, турбин, гребные винты судов, подводные крылья и т. п.) и небла- гоприятно отражается на их работе.

Применительно к насосам сущность этого явления состоит в следующем. При протекании жидкости по межлопастному ка- налу рабочего колеса насоса, сразу за его входной кромкой, мо-

жет произойти (в зависимости от частоты вращения вала рабоче- го колеса) резкое увеличение ее скорости и снижение давления до значения величины, равного значению давления насыщенных паров жидкости P _П при данной температуре либо меньшего его. При этом происходит парообразование (вскипание) жидкости,

образование в ней пузырьков пара и даже срыв работы насоса. Положение усугубляется, если насос работает при больших вы- сотах всасывания hи при больших расходах Q. Примерная эпюра напоров в пожарной насосно-рукавной системе в случае работы насоса в режиме кавитации изображена на рис. 3.1.

Таким образом, чем больше разрежение на входе рабочего ко- леса, тем большая кавитация происходит. Следовательно, нор- мальная работа центробежного насоса обеспечивается в таком
режиме, когда абсолютное давление во всех точках его внутрен- ней полости больше давления насыщенных паров перекачивае- мой жидкости при данной температуре. Поэтому, чтобы жидкость не перешла в пар, давление жидкости на входе в насосР_M1 должно быть выше давления насыщенных паров жидкости P_П при данной температуре. Таким образом, поскольку при работе насоса в его всасывающем трубопроводе происходит понижение давления

до Р< P_БАР, то условие нормальной работы можно записать в виде неравенства P_П < Р< P_БАР.




Рис. 3.1. Примерная эпюра напоров в пожарной насосно-рукавной системе при работе насоса в режиме кавитации
Перемещаясь с потоком в область насоса с более высоким дав- лением, кавитационные пузырьки конденсируются — схлопы- ваются, порождая сильные гидродинамические возмущения, —

и происходит гидравлический удар. Таким образом, в потоке создается довольно четко ограниченная кавитационная зона, за-
полненная движущимися пузырьками. При схлопывании движе- ние элементарных струек жидкости к центру пузырька происходит со сверхзвуковой скоростью, практически мгновенно. В момент соударения имеет место локальное мгновенное повышение дав- ления, которое достигает сотен и даже тысяч атмосфер. Из центра сомкнувшейся полости распространяется сферическая ударная волна со скоростью, превышающей скорость звука. Если пузырек находился около стенки детали, то жидкость, заполняющая его, ударяется о стенку, что может вызвать серьезные повреждения.

В лопастных насосах кавитация обычно зарождается на входных кромках лопаток рабочего колеса. Кроме того, кавитационные яв- ления проявляются, когда центробежные насосы работают с суще- ственным превышением номинального режима нагнетания. Дей- ствительно, из-за перепада давления между полостями всасывания и нагнетания происходит увеличение расхода утечек и скоростей через уплотнение между корпусом и рабочим колесом. Кавитация, возникающая при циркуляции жидкости внутри насоса, может привести к разрушению рабочего колеса. Однако кавитация может происходить не только в рабочем колесе, но и в направляющем ап- парате, хотя здесь она наблюдается сравнительно редко. Следова- тельно, кавитация может возникать на подвижных и неподвижных элементах проточной части спецагрегата.

Кроме проблем с рабочим колесом и деталями проточной части, из-за кавитации возникает разрушение подшипников

и уплотнений. Иногда при сильной вибрации происходит полом- ка вала. Таким образом, длительное время эксплуатировать на- сосное оборудование в режиме кавитации нельзя.

Следовательно, возможными причинами появления кавита- ции, кроме факторов, зависящих от конструктивных особенно- стей насоса, могут быть такие:

1. 
   увеличение подачи насоса сверх номинальной и повы- шение частоты вращения вала (в этих случаях происходит увели-
   

чение скорости жидкости на входе в колесо и падение давления на всасывании);

2. 
   повышение сопротивления во всасывающей линии (в ре- зультате установки дополнительной арматуры либо изменения формы провисание и прогибов всасывающих рукавов, засорения всасывающей сетки и т. п.);
   
3. 
   повышение температуры перекачиваемой жидкости, в т. ч. при длительной работе насоса на холостом ходу.
   

Можно заключить, что в центробежных насосах, на лопатках рабочего колеса, образуются кавитационные пузырьки, причем их тем больше, чем:

1. 
   выше частота вращения (т. е. чем выше скорость движения рабочих органов относительно жидкости);
   
2. 
   более неравномерно обтекание жидкостью твердого тела (высокий угол атаки лопасти, наличие изломов, неровностей по- верхности и т. п.);
   
3. 
   выше температура воды;
   
4. 
   больше разница давлений на выходе насоса и на его входе. Внешне кавитация сопровождается падением расхода, напо-
   

ра, мощности, КПД и появлением в насосе шума, переходящего иногда в сильный треск и даже грохот.

Низкое абсолютное давление и кавитация могут также наблю- даться при неустановившихся режимах работы насоса: гидравли- ческом ударе в системе, режиме пуска, остановки и т. п.

Появление немногочисленных кавитационных паровых пу- зырьков не представляет опасности, а появление значительных паровых областей приводит к снижению параметров насоса.

Таким образом, чрезмерная кавитация, как правило, сопро- вождается сильным шумом и повреждением насоса; приводит

к срыву его работы; средняя кавитация ведет к небольшому сни- жению подачи, высоты, производительности и преждевременно- му износу.

3. 
   Устранение кавитации
   

Устранение кавитации обеспечивается рядом мер, принимае- мых как при конструировании насосов, так и при их эксплуатации.
Для работы насоса в бескавитационном режиме необходимо обес- печить условия, при которых давление на входе в насос Р_M1 было бы больше критического, т. е. больше давления насыщенных паров пе- рекачиваемой жидкости при ее данной температуре P_П. Отсюда для того, чтобы правильно устранить кавитацию, следует использовать принцип: жидкости на входе в насос должно всегда быть больше, чем на выходе. Поэтому на этапе конструирования насоса необходимо выдержать следующее требование: площадь сечения всасывающего трубопровода (включая всасывающую сетку) всегда должна превы-

шать суммарную площадь сечения напорных задвижек насоса.

При сильном развитии кавитации снижается подача и напор,

а также потребляемая мощность, и центробежный консольный на- сос полностью прекращает работу (срывает подачу). К примеру, если при наличии кавитации постепенно открывать напорную задвиж- ку, то в начале процесса, как и должно быть, подача насоса растет, но в один момент ее значение быстро уменьшается до нуля. Следова- тельно, для предотвращения этого явления перед входной кромкой лопастей рабочего колеса или во входном патрубке насоса необходи- мо иметь запас давления, соответствующий повышению скорости, который называют допустимым кавитационным запасом. Это то ми- нимальное давление, в пределах которого у жидкости, попадающей

в насос, сохраняется состояние собственно жидкости.

Мерами конструктивного порядка, снижающими склонность насосов к кавитации, являются:

1. 
   отливка входных концов лопаток заостренной формы
   

с небольшим радиусом закругления и подбор плавного перехода от тонкой к утолщенной части лопатки;

2. 
   применение рабочего колеса первой ступени с двухсто- ронним подводом жидкости;
   
3. 
   применение в дополнение к рабочему колесу предвклю- ченного колеса-шнека. Пример — модифицированный пожар- ный насос ПН-60 Б. Шнек с малым числом лопаток 1–3 создает дополнительный подпор на входе в рабочее колесо. Именно шнек вынужден работать в условиях кавитации, которая его разрушает;
   

4. 
   проектирование колеса первой ступени многоступенча-
   

тых насосов с бо`льшим коэффициентом быстроходности, чем ко- эффициент колес последующих ступеней.

Кавитационному разрушению подвержены все металлы, но не в равной мере. Менее стойкими являются алюминиевые

сплавы (особенно вторичные) и чугун, подвергавшийся обработке резанием. Более стойкие необработанные чугунные поверхности, еще более стойкие бронза и углеродистая сталь и, наконец, наи- более устойчива аустенитная нержавеющая сталь. Поэтому в кон- струкциях насосов находят применение кавитационно-стойкие материалы наряду с тщательной обработкой рабочих поверхно- стей деталей (с минимальными параметрами шероховатости).

В последнее время в насосостроении, наряду с улучшением качества материалов (использованием высококачественных ста- лей), начали применять защитные покрытия деталей, наиболее подверженных действию кавитации и истиранию. Защитные по- крытия могут быть следующих видов:

1. 
   наплавка поверхностей кавитационно-стойкими сплавами;
   
2. 
   плазменное напыление сплавов на основе кобальта;
   
3. 
   металлизация поверхностей в холодном состоянии;
   
4. 
   местная поверхностная закалка;
   
5. 
   трехкомпонентное японское лакокрасочное покрытие.
   

Однако основной мерой борьбы с преждевременным износом проточной части насосов является предупреждение кавитацион- ных режимов их работы.

Предотвращение кавитации при эксплуатации пожарных цен- тробежных насосов достигается:

1. 
   выбором места установки пожарных машин с минималь- но возможной высотой всасывания;
   
2. 
   снижением до минимума потерь во всасывающей линии. Это достигается за счет применения всасывающих рукавов мини-
   

мальной длины и их прокладкой по возможности без провесов, рез- ких перегибов, исключения засорения всасывающей сетки и т. д.;

3. 
   уменьшением частоты вращения вала насоса;
   

4. 
   использованием подаваемой воды с минимально возмож- ной температурой.
   

Вместе с тем очевидно, что самым надежным решением явля- ется работа пожарного насоса от водопровода.

4. 
   Кавитационный запас насоса
   

Кавитация при работе насоса возникает в случае значительно- го понижения абсолютного давления Р_M1 у входа в насос.

В ГОСТ 6134–2007, а ранее в стандарте ИСО 2548 введен тер-

мин «надкавитационный напор на входе в насос (кавитационный запас) ∆h». Этот термин обозначается NPSH— Net Positive Suction Head— чистый гидравлический напор (кавитационный запас) — полный абсолютный напор на всасывании за вычетом напора, соответствующего давлению пара жидкости, отнесенный к оси рабочего колеса насоса, т. е. «базовой плоскости NPSH». Измеря- ется высотой столба жидкости на всасывании насоса и имеет раз- мерность для воды метры водяного столба (м вод. ст.).

Согласно ГОСТ 6134–2007 математически NPSHвыражается

как

Dh_и (NPSH)_и = 0,102

±Р_м1 + Р_бар - Р_п r<sub>и

Q</sub>2


d

4
+ Z_м1 + 0,0827 ^и

1
, (3.1)

где ∆h_и (NPSH)_и — кавитационный запас насоса для данного ре- жима, м;

Р_M1 — давление жидкости на входе в насос, Па (если манова- куумметр показывает разрежение, то это слагаемое должно быть со знаком «минус»);

P_БАР — барометрическое давление, которое имело место при испытании насоса, Па;

P_П — давление насыщенного пара перекачиваемой жидкости, Па;

Z_M1 — геометрическая высота расположения манометра (ваку-

умметра) относительно оси всасывающего патрубка, м;

Q_И — подача насоса в данном режиме (для которого определя- ется кавитационный запас), м ³/с;

ρ_И — плотность перекачиваемой воды, кг/м³;

d₁ — диаметр всасывающего патрубка насоса, на котором осу-

ществляется измерение давления, м;

Величины P_П и ρ_И зависят от температуры. Для воды эти спра- вочные данные приведены в табл. П.2.3.

Анализ зависимости (3.1) показывает, каким образом можно управлять кавитационными процессами и то, что проявление ка- витационных процессов в насосе и высота всасывания (которая характеризуется величиной Р _M1) — вещи взаимосвязанные. Дей- ствительно, с увеличением высоты всасывания до максимальной

величина кавитационного запаса существенно уменьшается, а ка- витация в насосе становится реальной.

Справочные данные. Значение допускаемого кавитаци- онного запаса пожарных центробежных насосов ПН-40УВ, НЦПН-40/100 и НЦПК-40/100–4/400 (ступень нормального дав-

ления), а также ПН-60 и ПН-110 не превышает 3,5 м, что соответ- ствует требованиям ГОСТ Р 52283–2004.
Для изучения склонности насоса к кавитации производят ка- витационные испытания, в результате которых получают кавита- ционную характеристику. Согласно ГОСТ 6134–2007 кавитаци- онная характеристика должна быть получена в результате снятия частных кавитационных характеристик насоса. При получении кавитационной характеристики частные кавитационные характе- ристики должны сниматься при наименьшей, номинальной и наи- большей подачах рабочего диапазона характеристики насоса, ко- торые должны быть представлены в координатах Ни кавитаци- онного запаса ∆h(NPSH). Так, на рис. 3.2 представлены частные кавитационные характеристики, полученные при испытаниях од- ного из пожарных центробежных насосов.

Из рис. 3.2 следует, что при получении кавитационной харак-

теристики представляется возможным определить имеющийся кавитационный запас NPSH(∆h) — NPSHАдля заданной подачи
насоса. Кроме того, для каждой подачи также будет установлен NPSHЗ— критический кавитационный запас ∆h_кр. Анализ кривых рис. 3.2 также показывает, что для более высоких подач критиче- ский кавитационный запас всегда будет выше.

Таким образом, кавитационная характеристика должна быть получена в результате снятия частных кавитационных характери- стик H= f(∆h(NPSH))для постоянных значений подачи Q= const и частоты вращения вала n = const в рабочей области характери- стики насоса.

ГОСТ 6134–2007 допускает проводить определение частных кавитационных характеристик при неизменном положении регу- лирующего подачу органа путем снижения давления на всасыва- ющей линии насоса.




Рис. 3.2. Зависимости кавитационной характеристики пожарного центробежного насоса

(по данным «УСПТК–Пожгидравлика»)