Понятие о кавитации, допустимая высота всасывания насоса

Лекция 6 «Понятие о кавитации. Помпаж, неустойчивость работы нагнетателей»

 

Понятие о кавитации, допустимая высота всасывания насоса

В процессе эксплуатации центробежного насоса могут возникнуть режимы работы, когда давление жидкости на всасе Р_вс становится меньшим или равным давлению насыщенного пара Р_пп при данной температуре жидкости. Это приводит к закипанию и образованию пузырьков пара на всасе рабочего колеса. Р_вс = Р_пп. Пузырьки увлекаются потоком к выходу колеса. По мере движения по межлопастным каналам давление жидкости возрастает и пузырьки пара начинают конденсироваться. При конденсации объём пузырька пара уменьшается, а давление внутри него остаётся неизменным. Под действием растущей разности давлений снаружи и внутри пузырька частицы жидкости окружающие пузырёк устремляются к его центру. В момент полной конденсации пара происходит мгновенное местное повышение давления – происходит точечный гидравлический удар. Совокупность описанных явлений называется кавитацией.

Кавитация вызывает возмущения в потоке жидкости, а как следствие уменьшение гидравлического КПД η_г. Напор также снижается.

Если пузырьки пара в момент конденсации находятся на поверхности рабочей лопасти, то удар приходится на неё, и происходит местное разрушение металла. Срок службы значительно снижается.

Характерными признаками кавитации являются: шум, треск и вибрация.

При проектировании и эксплуатации насосных установок необходимо принимать меры по предотвращению кавитации. В самом общем виде условие безкавитационной работы насосных установок можно записать в виде Р_вс>Р_нп. (1)

Пусть насос перекачивает жидкость из ёмкости А в В

величина давления на всасе будет:

, (2)

где Р_а – давление в ёмкости А;

Н_г – расстояние между отметками оси насоса и уровнем жидкости в ёмкости А;

Будем называть Н_г – геометрической высотой установки насоса.

Δ Р_пот – гидравлические потери давления во всасывающем трубопроводе;

с – скорость на входе в насос.

Анализ выражения (2) показывает, что заданном давлении Р_а, давление на всасе зависит главным образом от высоты установки насоса Н_г. Выбор величины Н_г должно обеспечить выполнение условия (1).

Введём дополнительное обозначение - полное давление на всасе насоса, - кавитационный запас, который гарантирует устойчивый режим работы.

(3)

Кавитационный запас также выражают в единицах напора и обозначают (4).

Вычислим величину Н_г при которой выполняется условие (3), обеспечивающее отсутствие кавитации. Выразим статическое давление на всасе Р_вс из (3).

(5)

Приравняем (2) И (5), откуда , . Величину принимают равной , где - критический кавитационный запас.

, где

n – число оборотов вала насоса, об/мин

Q – производительность насоса м³/с

с – экспериментальный коэффициент.

для обычных насосов с=800 – 1000

для специальных насосов с=1000 – 3000

Высоту Нг обеспечивающую отсутствие кавитации будем называть допустимой высотой всасывания , тогда запишем (6) в следующем виде:

,

где - гидравлические потери напора.

При перекачке горячей жидкости, особенно если Р_а=Р_нп (кипящая вода) может получиться так, что , это означает, что бак с жидкостью нужно разместить выше отметки оси насоса на величину по модулю не меньшую чем . В этом случае говорят, что насос установлен под залив и имеет подпор Н_подп.

Деаэраторы всегда устанавливают выше питательных насосов.

 

2. Неустойчивость работы. Помпаж

В системах, состоящих из центробежных или осевых машин, трубопроводов и емкостей, могут возникать изменения режимов, обусловленные различными причинами: регулярными или периодическими срывами вихрей с кромок лопастей, резким изменением расхода потребителями и т. п. Такие причины выводят систему из «равновесного» со­стояния. Если при снятии этих возбуждающих причин система прихо­дит в исходное состояние, то она устойчива.

Однако при определенном сочетании форм характеристик машины исети снятие возбуждений не приводит к устойчивости, и в системе остается самопроизвольные, без видимых внешних причин, колебания подачи, напора и мощности машины; это - автоколебания, или помпаж.

Автоколебания проявляются в разных системах с различной интен­сивностью: от едва заметных изменений подачи, давления и мощности до значительных резких их изменений, опасных для машин и трубопроводов.

Возникновение помпажа в современных сложных высокоскоростных системах представляет большую опасность; известны случаи разрушения машин и трубопроводов вследствие интенсивных автоколебаний.

Теория автоколебания и эксперимент в этой области — сложны приведем лишь необходимые основные положения.

Рассмотрим систему, состоящую из вентилятора 2, вса­сывающего 1 и нагнетательного 3 трубопроводов. Нагнетательный тру­бопровод связан с воздушным объемом 4, на выходе из которого на­ходится переменное сопротивление в виде дросселя 5.

Рабочие свойства вентилятора представляются характеристикой Р_к=f(Q_к) связывающей полное давление Р_кв напорном трубопроводе непосредственно за вентилятором с объемным расходом воздуха О_к в том же сечении (кривая 1 на графике).

Характеристику 2 дросселя представим зависимостью Р_б=f(Q_R), где Р_б - избыточное давление перед дросселем; Q_R - объемный расход через дроссель. При последовательном прикрытии дросселя его сопро­тивление возрастет и характеристики 3 - 6 расположатся выше. Рассмотрим характеристику 2. Равновесный, не изменяющийся по времени режим работы вентилятора определяется точкой О пересечения харак­теристик вентилятора и сети. Этот режим статически устойчив (аналогично нижнему положению маятника). Действительно, увеличим подачу на ΔQ, при этом давление, развиваемое вентилятором, уменьшается, а сопротивление дросселя возрастает. Это вызовет торможение потока, уменьшение подачи и возвращение режима в точку О. Аналогично точкам пересечения А₁ А₃ В₂, С₁ D характеристик соответствуют статически устойчивые режимы. В этих точках тангенс k угла наклона касательной к характеристике дросселя больше тангенса F' угла наклона касательной к характеристике вентилятора, что является признаком статической устойчивости системы. В точке А₂ режим статически неустойчив (аналогично верхнему положению маятника). Здесь k<F'. Однако статически устойчивый режим может оказаться динамически неустойчивым, колебательным подобно раскачке системы с отрицательным трением.

Точка характеристики р=f(Q) машины при n=const, соответствую­щая началу автоколебаний в случае уменьшения подачи дросселем, на­зывается границей помпажа. В характеристиках при переменной частоте вращения точки границ помпажа наносятся на каждой дроссельной кри­вое; линия, проведенная через эти точки, является границей помпажа машины при п=var (см. график ниже). Границы помпажа определяются испытанием лопастных машин. При эксплуатации машин значительной мощности выход за границы помпажа, независимо от применяемого спо­соба регулирования подачи, недопустим.

Пусть нормальный режим установки определяется точкой при частоте вращения n: n₃<n<n₄

Если требуется поддерживать подачу M=const, то рабочие точки режимов должны располагаться на линии АВ, параллельной оси ординат.

Повышение или понижение степени сжатия при M=const обусловливается потребителем и может быть достигнуто только изменением частоты вращения вала компрессора. При этом следует иметь в виду, что точка В определяет предельное значение степени сжатия ε_макс Выход за точку В, лежащую на границе помпажа, недопустим. Поэтому лопастные компрессоры, регулируемые изменением частоты вращения на постоянную подачу, должны снабжаться предохранительными клапанами, отрегули

рованными на конечное давление Р_к=Р₁· ε_макс. Это дает гарантию избегания помпажных режимов.

Если к компрессору предъявляется требование поддержания постоянной степени повышения давления ε =const при переменной подаче, то возможные режимные точки должны располагаться на линии СF.

Точка С определяет предельное минимальное значение подачи по условиям помпажа. В этом случае компрессор должен быть снабжён автоматическим антипомпажным устройством.

Задача предупреждения помпажа имеет большое практическое значение и может решаться:

1) созданием конструкций лопастных машин с границей помпажа, по возможности сдвинутой в область малых подач и имеющих напор­ную характеристику без восходящего участка (без «седловины») или имеющих восходящий участок характеристика с наименьшим наклоном. Это достигается разработкой рациональных форм проточной полости и профилей рабочих лопастей машины. Существенное значение имеет количество рабочих и направляющих лопастей;

2) применением специальных протнвопомпажных устройств, не позволяющих машине переходить границу помпажа. В этом случае уста­навливается антипомпажный клапан, настроенный так. что при уменьшении расхода потребителей до значения, соответствующего границе помпажа, он начинает перепуск газа на всас машины или выпуск его в атмосферу. При этом подача машины будет соответствовать границе помпажа, предупреждая его появление. Импульс для приведения в действие антипомпажного клапана берется от трубок полного напора или диафрагм, располагаемых в напорном трубопроводе машины.

Принципиально возможно также создание антипомпажного регулятора, управляющего движением выходного дроссели или направляющего аппарата.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: