Практикум по напорной гидравлике и гидромашинам учебное пособие
![]()
|
Виртуальная лабораторная работа № 12КАВИТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСАВводная часть 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 при данной 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 [26–28]. 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 рис. 46. 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 h ‒ превышением удельной энергии жидкости при входе в насос над удельной энергией ее насыщенных паров: 𝑝 𝑣2 𝑝 ![]() +вс −н.п. , (68) 𝜌𝑔 2𝑔 𝜌𝑔 93 ![]() ![]() ![]() Таблица 14 Давление насыщенных паров жидкости на входе в насос рн.п., кПа
Начальная стадия кавитации определяется критическим кавитационным запасом hкр ‒ кавитационным запасом, при котором в насосе наблюдается падение напора на 2 % на частной кавитационной характеристике (Н = f(h)), или на 1 м при напоре насоса более 50 м. Величину критического кавитационного запаса hкр, м, можно определить при кавитационных испытаниях насоса по частной кавитационной характеристике, или по формуле С.С. Руднева: ∆ℎкр = 10 𝑛 𝑄 ![]() 3 4 , (69) ![]() Работа насоса без изменения основных технических показателей, т. е. без кавитации, определяется допускаемым кавитационным запасом hдоп, вычисляемым по формуле ∆ℎдоп = 𝐴∆ℎкр , (70) где А ‒ коэффициент кавитационного запаса (A = 1,05‒1,3 = f (hкр)) (табл. 15). Таблица 15 Коэффициент кавитационного запаса
Графическая зависимость допускаемого кавитационного запаса от подачи в рабочем интервале подач hдоп = f (Q) называется кавитационной характеристикой насоса (рис. 47). Ее 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 (h) (рис. 48). При испытаниях насоса кавитационный запас определяется по формуле вс ∆ℎ = 𝑝ат−𝑝в−𝑝н.п. + 𝑣 2 ![]() , (71) оп 𝜌𝑔 2𝑔 где pат ≈ 105 Па ‒ атмосферное давление; pв ‒ показания вакуумметра, Па. Полученные опытным путем значения hon приводятся к но- минальной частоте вращения nн по формуле ∆ℎ = ∆ℎ оп 𝑛н 2 ![]() 𝑛оп ![]()
По каждой частной кавитационной характеристике находятся hкр и Q, а затем hдоп (по формуле (70)). По значениям hдоп и Q строится кавитационная характеристика hдоп = f (Q) (см. рис. 47). Контроль работы насоса при его эксплуатации производится по показаниям вакуумметра, установленного на входе в насос. Связь кавитационного запаса с вакуумом можно найти из выражения ![]() ![]() , (73) 𝜌𝑔 𝜌𝑔 и далее, произведя подстановку в (73) значения абсолютного давления p из формулы (68): 𝑝 = ∆ℎ𝜌𝑔 + 𝑝н.п. − вс , (74) 𝑣 2 𝜌 2 вс 𝐻 = 𝑝ат−𝑝 = 𝑝ат−𝑝н.п. − ∆ℎ + 𝑣 2 ![]() ![]() . (75) вак 𝜌𝑔 𝜌𝑔 2𝑔 𝑣 По аналогии с (75) можно записать выражения для критического и допускаемого вакуума. Критический вакуум 𝐻кр = 𝑝ат−𝑝н.п. − ∆ℎ ![]() 2 + вс . (76) вак Допускаемый вакуум 𝜌𝑔 кр 2𝑔 𝐻доп = 𝑝ат−𝑝н.п. − ∆ℎ ![]() 2 𝑣 + вс . (77) вак 𝜌𝑔 доп 2𝑔 Употребляется также понятие вакуумметрической высоты вса- сывания Нв, которая связана с вакуумом зависимостью вс 𝐻 = 𝑝ат−𝑝н.п. + 𝑣 2 ![]() , (78) или в 𝜌𝑔 2𝑔 𝐻в = 𝐻вак + 𝛥ℎ . (79) Вакуум на входе в насос зависит от расположения насоса по отношению к свободной поверхности жидкости в приемном резервуаре геометрической высоты всасывания Hвс, режима работы насосов и других факторов. 𝑣 Такая зависимость находится с помощью уравнения Бернулли: 𝐻 = 𝑝ат−𝑝н.п. = 𝐻 ![]() 2 + вс + ℎ , (80) вак 𝜌𝑔 вс 2𝑔 вс где hвс ‒ потери напора во всасывающем трубопроводе. Максимальная (критическая) высота всасывания, т. е. высота, при которой начинается кавитация, вычисляется по формуле 2𝑔 кр кр 𝑣2 или 𝐻вс = 𝐻вак −вс − ℎвс , (81) ![]() 𝐻кр = 𝑝ат−𝑝н.п. − ∆ℎкр − ℎвс . (82) вс 𝜌𝑔 Допускаемая высота всасывания Hвс, т. е. высота, при которой обеспечивается бескавитационная работа насоса: вак или 𝐻вс = 𝐻доп 𝑣 2 − вс − ℎвс , (83) 2𝑔 ![]() 𝜌𝑔 𝐻вс = 𝑝ат−𝑝н.п. − ∆ℎдоп − ℎвс . (84) |