Высота всасывания насосов

Различают геометрическую высоту всасывания и вакуумметрическую высоту всасывания. Геометрической высотой всасывания Н_s называют разница геодезических отметок оси рабочего колеса насоса и уровня воды в резервуаре, с которого насос забирает воду. Разность атмосферного и вакуумметрического давления в метрах столба жидкости представляет собой вакуумметрическую высоту всасывания Н_вак..

Движение жидкости по всасывающему трубопроводу и в межлопаточном пространстве рабочего колеса осуществляются за счет разности давлений над свободной поверхностью жидкости в приемной камере и абсолютного давления в потоке при входе в колесо насоса.

От расположения насоса относительно уровня поверхности жидкости в резервуаре различают следующие схемы установки насосов.

1.Ось насоса выше уровня жидкости в приемном резервуаре.

П рименяя теорему Бернулли для двух сечений 0-0 и 1-1 (рис.8 а.) составим уравнение

Z₀+ ;

где – суммарные гидравлические потери во всасывающей линии насоса, м (сумма потерь на входе, потерь на трение по длине трубопровода).

Разность между Z₁–Z₀ геометрической высотой всасывания H_S.

, ;

Решая уравнение относительно геометрической высоты всасывания,

. (24)

Рис. 8 а, б.

Вакуумметрическая высота всасывания будет равна:

(25)

Из вышеприведенного уравнения видно, что энергия, создаваемая насосом на всасывающей стороне, выраженная в виде вакуумметрической высоты всасывания, расходуется на поднятие жидкости на величину Н_s, создание динамического напора на входе в насос и преодоление потерь напора во всасывающем трубопроводе .

2. Уровень свободной поверхности жидкости расположен выше оси рабочего колеса насоса (рис. 8 б.).

(26)

(27)

Отрицательное значение геометрической высоты всасывания обычно называют подпором.

3. Знакопеременное изменение геометрической высоты всасывания (рис. 8.В).

В озможны случаи, когда при работе насоса значение Н_s меняется с положительного на отрицательное и наоборот.

В зависимости от конструкции лопастного насоса H_S отсчитывают по-разному. Для горизонтальных насосов H_S–это разность отметок оси насоса и уровня жидкости в приёмной камере. Для насосов с вертикальным валом H_S отсчитывается от середины входных кромок лопастей рабочего колеса до свободной поверхности жидкости в резервуаре.

Рис. 8 в.

Кавитация в насосах

Вращение рабочего колеса отбрасывает жидкость к поверхности корпуса насоса, в результате чего со стороны всасывающей полости рабочего колеса возникает разряжение. Разряжение зависит от разницы между уровнем положения впускного отверстия и поверхности перекачиваемой жидкости, от потерь давления на трение во всасывающем трубопроводе, а также от плотности самой жидкости. Это разряжение ограничено давлением насыщенного пара жидкости при данной температуре, т.е. давлением, при котором будут образовываться пузырьки пара.

Кавитацией называют процессы нарушения сплошности (однородности) потока жидкости, происходящие в тех участках, где местное давление понижается и достигает определённого критического значения. Обычно в качестве критического давления, при котором начинается кавитация, принимают давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости при данной температуре. При возникновении кавитации происходят такие процессы.

• В тех местах потока, где давление падает до критического, образуется большое количество пузырьков, заполненных парами жидкости и газами, которые выделяются из жидкости. Находясь в зоне пониженного давления, пузырьки увеличиваются в размерах и перерастают в большие кавитационные каверны.

• В тех зонах, где образовались каверны, изменяется эффективная форма проточной части насоса, что вызывает местное повышение скорости движения жидкости и увеличение потерь напора. Это ухудшает энергетические параметры насоса и снижает его коэффициент полезного действия.

• Нестойкость кавитационной зоны вызывает пульсацию давления в потоке, Под действием этой пульсации может возникать вибрация насоса.

• Кавитационные пузыри захватываются потоком жидкости и переносятся в зону повышенного давления. Там они очень быстро разрушаются. Это приводит до гидравлических микроударов. Наложение большого числа таких ударов приводит к появлению характерного шипящего звука, который всегда сопутствует кавитации.

• Кавитация приводит к разрушению поверхности, на которой она возникает. Это разрушение, являющееся одним из самых опасных последствий кавитации, называют кавитационной эрозией. Очень разрушаются чугун и углеродная сталь. Известны случаи, когда рабочие колеса гидромашин, лопасти гребных винтов из-за кавитации приходили в полную негодность через несколько сотен часов работы.

Предотвратить явление кавитации возможно при условии правильного выбора геометрической высоты всасывания с учетом геодезической отметки расположения насоса и температуры перекачиваемой жидкости.

Наибольшее значение геометрической высоты всасывания при условии Р₁ = Р_пар..

(28)

Кавитации в насосе не будет, если вакуумметрическая высота всасывания не превышает допустимого значения Н_вак Н_в.доп.

Отсюда отсутствие кавитации в насосе определяется условием . Значения ( )_пасп. указываются на характеристиках насосов для нормального атмосферного давления на уровне Балтийского моря и для температуры воды 20⁰С.

Если насосная установка проектируется для местности, где атмосферное давление отличается от нормального и температура воды больше 20⁰С, то паспортную величину ( )_пасп следует уточнить по формуле:

( )_раб. = ( )_пасп. – 10 + Н_атм + 0,24 - (29)

В зависимости от высоты над уровнем моря величину Н_атм можно взять из таблицы 1.

Таблица. 1.

Высота над уровнем моря, м	-600	0	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000	1500	2000
Натм, м.в.ст.	11,3	10,3	10,2	10,1	10	9,8	9,7	9,6	9,5	9,4	9,3	9,2	8,6	8,4

Давление насыщенного пара воды , в зависимости от ее температуры, можно взять из таблицы 2.

Таблица 2.

Температура воды,0С.	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
,м.вод.ст.	0,09	0,12	0.24	0,43	0,75	1,25	2,02	3,17	4,82	7,14	10,33

В некоторой технической литературе учет изменения атмосферного давление над нормальным определяется приближенно по формуле

, где - абсолютная отметка уровня воды в нижнем бассейне, м (выше уровня моря , ниже - ).

С учетом отметки местности установки насоса и температуры перекачиваемой жидкости, геометрическая высота всасывания определяется по формуле

(30)

Задача. Определить геометрическую высоту всасывания для насоса, если известно: насос планируется установить в местности, которая находится на высоте 1000 м над уровнем моря, температура перекачиваемой жидкости 60⁰С. Потери напора во всасывающем трубопроводе составляют 0,75 м, ск0рость движения воды во всасывающем трубопроводе – 3 м/с.

Решение задачи. Из таблиц 1 и 2 находим, что атмосферное давление на высоте 1000 м над уровнем моря Н_атм = 9,2 м. вод. столба, а давление насыщенного пара воды при температуре 60⁰ - = 2,02 м. вод. столба.

Н_s = 9,2 – 2,02 – 6,5 -0,75 -

Полученный результат показывает, что насос следует расположить ниже уровня воды в заборном резервуаре не менее чем на 0,53м.

Для бескавитационной работы насоса необходимо обеспечить условия, при которых давление при входе в насос P₁ было бы больше критического, т.е. больше давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости P_ПАР.

Для исключения явления кавитации необходимо, чтобы удельная энергия Э₁ потока во входном патрубке насоса, отнесенная к его оси, должна быть достаточной для обеспечения скоростей и ускорений в потоке при входе в насос и преодоление сопротивлений без падения местного давления до значения, ведущего к образованию кавитации.

(31)

Параметр h называется кавитационным запасом или избыточным напором всасывания. Кавитационный запас представляет собой превышение механической энергии в потоке над давлением насыщенного пара.

Используя уравнение, , установим взаимосвязь между кавитационным запасом h и геометрической высотой всасывания H_S.

.

Учитывая, что :

(32)

Сравнивая полученное уравнение с зависимостью , получим . (33)

Для инженерных расчетов формула упрощается

. (34)

Для каждого насоса существует некоторое минимальное значение . Если он будет меньше , то насос начнёт кавитировать. Минимальный кавитационный запас определяется на специальном испытательном стенде путём построения зависимостей напора, КПД и мощности насоса от кавитационного запаса h. На рис.(4.1) представлена схема кавитационного стенда.

И спытания проводят при постоянной частоте вращения. Насос устанавливается на вполне определенный режим с помощью вентиля 1. Этому режиму соответствуют определенные значения расхода, напора, мощности и КПД. Изменение h осуществляют путем уменьшения давления на свободную поверхность жидкости.

В замкнутой системе снижение давления Р₁ приводит к уменьшению давления в системе.

Рис. 9. испытательный стенд

Д о определенного значения h , подача, напор и КПД остаются постоянными (рис. 10.), после чего Q, H и начинают снижаться, в насосе появляется шум, что свидетельствует о наличии кавитации.

Рис. 10. Частные кавитационные характеристики

При дальнейшем уменьшении h наступает резкое снижение Q, H и , насос срывается. За критическую (минимальную) величину кавитационного запаса h_кр принимается такая, при которой кончаются горизонтальные участки значений Q, H и .

Допустимый кавитационный запас должен быть больше критического h_доп. = h_крК, (35)

где К коэффициент запаса, обычно равный 1,2…1.5.

Нетрудно заметить, что наименьшему значению соответствует наибольшее критическое значение геометрической высоты всасывания:

H _{S MAX} = . (36)

Для обеспечения надежной работы насоса высота всасывания Н_s.доп. должна иметь некоторый запас, что учитывается введением коэффициента запаса:

Н_s.доп.= h_доп- h_вс , (37)

Кавитационные характеристики позволяют установить начало влияния кавитации на энергетические характеристики машины, однако они не дают возможность уловить зарождение кавитации. Практика подтверждает, что эрозия начинается задолго до снижения энергетических характеристик. Перспективным методом, с помощью которого можно установить момент зарождения кавитации является виброакустический метод.

Критерий кавитации С.С.Руднева.

Профессор С.С.Руднев в 1935 г., обобщая опытные данные и базируясь на теории подобия, получил формулу для определения минимального кавитационного запаса

, (38)

где n - частота вращения рабочего колеса, об/мин;

Q - подача, м /c; для насосов с двухсторонним входом жидкости в рабочее колесо подставляется половина подачи насоса.

C - опытный коэффициент, характеризующий кавитационные качества насоса.

Величина С постоянна для геометрически подобных машин и лежит в пределах С=800…1200, а для специальных насосов может доходить до нескольких тысяч. В таблице 3 приведены значения коэффициента С в зависимости от коэффициента быстроходности n_S.

nS, хв-1	50-70	71-80	81-150	151-250
СКР	600-750	800	800-1000	1000-1200

Влияние температуры, плотности и вязкости на кавитационные качества насоса. Из формулы h_мин = Н_s.- h_вс (39)

видно, что возрастание температуры, а следовательно повышение давления парообразования приводит к уменьшению минимального кавитационного запаса. Увеличение плотности жидкости при прочих равных условиях будет способствовать более раннему наступлению кавитации. С увеличением вязкости вследствие увеличения потерь на трение следует ожидать ухудшения всасывающей способности насоса.

Меры по предотвращению или ослаблению кавитации.

Рассмотрим меры, с помощью которых предотвращается или ослабляется кавитация. Их можно разбить на три категории.

К первой категории можно отнести:

• снижение геометрической высоты всасывания, уменьшение температуры перекачиваемой жидкости, снижение потерь во всасывающем трубопроводе;

• повышение давления перед входом в насос за счет впуска жидкости во всасывающий патрубок из напорного трубопровода;

• установка эжектора в начале приемного трубопровода;

• впуск воздуха в приемную часть насоса.

Вторая категория предусматривает ослабление кавитации за счет некоторых видоизменений в конструкции отдельных элементов машины:

• применение рабочего колеса с расширенным входом;

• применение подпирающих устройств;

• применение в рабочих колесах суперкавитиционных профилей.

Третья категория:

• изменение рабочих параметров насоса в процессе его эксплуатации. К ним можно отнести: искусственное уменьшение подачи при постоянной частоте вращения.

Последствия кавитации можно уменьшить за счет нанесения защитного покрытия на поверхность рабочего колеса: наплавка твердыми сплавами, местная закалка поверхности и др.