Практикум по напорной гидравлике и гидромашинам учебное пособие

• Название: Практикум по напорной гидравлике и гидромашинам учебное пособие
• Дата: 31.03.2023
• Размер: 4.09 Mb.
• Имя файла: virtualnyj-laboratornyj-praktikum_color.docx
• Тип: Практикум; #1027990
• страница: 29 из 31

Виртуальная лабораторная работа № 12

КАВИТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Вводная 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

∆ℎ =

₊вс ₋н.п. _{, (68)}

𝜌𝑔

2𝑔

𝜌𝑔

93
где р и 𝑣_вс ‒ абсолютное давление и скорость на входе в насос; р_н.п.‒ давление насыщенных паров жидкости на входе в насос, зависящее от рода жидкости и ее температуры. Для воды и бензина р_н.п. приведены в табл. 14.

Рис. 46. Разрушение рабочих колес насосов вследствие кавитации
Таблица 14

Давление насыщенных паров жидкости на входе в насос р_н.п., кПа

t, оC	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 Б-70	‒	‒	‒	16,3	‒	‒	33,2	55,8	103,3	‒

Начальная стадия кавитации определяется критическим кавитационным запасом h_кр ‒ 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 h_кр, м, можно определить при кавитационных испытаниях насоса по частной кавитационной характеристике, или по формуле С.С. Руднева:

∆ℎ_кр = 10

^{𝑛 𝑄}

𝐶

3 ₄

, (69)

где n ‒ частота вращения, об/мин; Q ‒ подача насоса, м³/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

h_доп, вычисляемым по формуле

∆ℎ_доп = 𝐴∆ℎ_кр , (70)

где А ‒ коэффициент кавитационного запаса (A = 1,05‒1,3 = f (h_кр)) (табл. 15).
Таблица 15

Коэффициент кавитационного запаса

hкр, м	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 h_доп = 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 p_ат ≈ 10⁵ Па ‒ атмосферное давление; p_в ‒ показания вакуумметра, Па.

Полученные опытным путем значения h_on приводятся к но- минальной частоте вращения n_н по формуле

∆ℎ = ∆ℎ

оп

𝑛_н

2

, (72)

^𝑛оп

затем строится частная кавитационная характеристика насоса (рис. 48).

Рис. 47. Кавитационная характеристика насоса

Рис. 48. Частные кавитационные характеристики насоса

По каждой частной кавитационной характеристике находятся h_кр и Q, а затем h_доп (по формуле (70)). По значениям h_доп и Q строится кавитационная характеристика h_доп = 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

_𝐻вак ₌ 𝑝_ат−𝑝 ₌ 𝑝_в

, (73)

𝜌𝑔 𝜌𝑔

и далее, произведя подстановку в (73) значения абсолютного давления p из формулы (68):


𝑝 = ∆ℎ𝜌𝑔 + 𝑝_н.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

_𝐻^кр ₌ ^𝑝ат^−𝑝н.п. _{− ∆ℎ}


2

₊ вс

. (76)

вак

Допускаемый вакуум

𝜌𝑔

кр _2𝑔

_𝐻^доп ₌ ^𝑝ат^−𝑝н.п. _{− ∆ℎ}


2


𝑣
₊ вс

. (77)

вак

𝜌𝑔

доп

2𝑔

Употребляется также понятие вакуумметрической высоты вса- сывания Н_в, которая связана с вакуумом зависимостью

вс
_{𝐻 =} ^𝑝ат^−𝑝н.п. ₊ ^{𝑣 2}


, (78)

или

^в 𝜌𝑔

2𝑔

𝐻_в = 𝐻_вак + 𝛥ℎ . (79)

Вакуум на входе в насос зависит от расположения насоса по отношению к свободной поверхности жидкости в приемном резервуаре геометрической высоты всасывания H_вс, 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 h_вс ‒ 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

= 𝐻_вак −^вс − ℎ_вс , (81)

𝐻^кр = ^{𝑝ат−𝑝н.п.} − ∆ℎ_кр − ℎ_вс . (82)

вс _𝜌𝑔

Допускаемая высота всасывания H_вс, т. е. высота, при которой обеспечивается бескавитационная работа насоса:

вак
или

_{𝐻вс = 𝐻}доп

_𝑣 2


− ^вс − ℎ_вс , (83)
2𝑔

𝜌𝑔
𝐻_вс = ^{𝑝ат−𝑝н.п.} − ∆ℎ_доп − ℎ_вс . (84)