Категории

Способы предотвращения кавитации в насосах

Комиссия по лженауке утверждает что этого не может быть

КАВИТАЦИЯ В НАСОСАХ

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 = Рпар..

(28)

Кавитации в насосе не будет, если вакуумметрическая высота всасывания не превышает допустимого значения Нвак Нв.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 + Натм + 0,24 - (29)

 

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

Таблица. 1.

Высота над уровнем моря, м -600
Натм, м.в.ст. 11,3 10,3 10,2 10,1 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.
,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 Натм = 9,2 м. вод. столба, а давление насыщенного пара воды при температуре 600 - = 2,02 м. вод. столба.

Нs = 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 PПАР.

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 Dh 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 Dh и геометрической высотой всасывания HS.

.

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 Dh. На рис.(4.1) представлена схема кавитационного стенда.

Испытания 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 Dh осуществляют путем уменьшения давления на свободную поверхность жидкости.

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

Рис. 9. испытательный стенд

 

До определенного значения Dh , 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 Dh наступает резкое снижение Q, H и , насос срывается. За критическую (минимальную) величину кавитационного запаса Dhкр принимается такая, при которой кончаются горизонтальные участки значений Q, H и .

Допустимый кавитационный запас должен быть больше критического Dhдоп. = DhкрК, (35)

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

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

H SMAX = . (36)

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

Нs.доп.= Dhдоп- hвс , (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.






Дата добавления: 2016-09-26; просмотров: 1929;


Похожие статьи:

Источник: http://poznayka.org/s60640t1.html

Кавитация насосов. Что это и как устранить

Кавитация насосов и пути ее устранения

Пожалуй, главный источник проблем с насосами - кавитация. Физически это явление объясняется тем, что в жидкости всегда присутствует какое-то количество растворенного газа. При движении жидкости в ней могут возникать зоны разрежения. В результате выделяются пузыри. Попадая с потоком в зону более высоких давлений, пузыри схлопываются, выделяя энергию, которая разрушает поверхность рабочих колес, улиток (рис. 1.) и т.д.
Рис. 1. Кавитация улитки после года работы насоса.
Эта энергия также создает ударные волны, вызывающие вибрацию, распространяющуюся на рабочее колесо, вал, уплотнения, подшипники, повышая их износ. Возникновение кавитации обусловлено разными причинами (табл. 1.) Любой вид кавитации связан с неучетом важных правил гидравлики и гидродинамики.

Каждый насос характеризуется величиной кавитационного запаса ∆hтр, обозначаемой западными насосными фирмами NPSHR. Это то минимальное давление, в пределах которого у жидкости, попадающей в насос, сохраняется состояние собственно жидкости. Величину ∆hтр в номинале и кривую зависимости ∆hтр от подачи/напора обязан предоставлять производитель насоса.

Насос в станцию необходимо подбирать, устанавливать и обвязывать так, чтобы он располагал в зоне своей работы (определяется наложением характеристик насосов и системы водоводов) тем допустимым кавитационным запасом ∆hдоп(или NPSHA), величина которого была бы выше ∆hтр (NPSHA > NPSHR).

Иными словами ∆hдоп – есть потенциальная энергия жидкости у всасывающего отверстия насоса ∆hдоп = Ha+ Hs– Hvp-Hf-Hi, где Ha- атмосферное давление (10 м водного столба на уровне моря); Hs- статический напор (положительный или отрицательный), определяемый как разность уровней между свободной поверхностью жидкости и осью насоса, м; Hvp- давление паров перекачиваемой жидкости, зависящее от температуры, м; Hf- потери на трение во всасывающей линии, м; Hi- потери в пространстве между горловиной и головкой рабочего колеса насоса (если неизвестны, можно принять [1] равными 0,6 м).

Пример. Нужно определить геометрическую высоту всасывания Но (рис 2) для насоса с ∆hтр = 7,0 м.

Расчетом из таблиц получаем потери: на входе в насос Hi= 0,6 м; на трение во всасывающей линии Hf= 0,3 м; на задвижке Нv = 0,1 м; на конфузоре Нк = 0,1 м; давление насыщенных паров Hvp = 0,2 м. Величина Но равна Hsсо знаком минус.

Для получения искомой Но применим систему из трех уравнений.
∆hдоп = 1,1 ∆hтр,(4.1), где 1,1 – коэффициент запаса, принимаемый в зависимости от условий работы насоса 1,1 – 1,5 [1].
Но = - Hs,(4.2)так как уровень воды отрицательный по отношению к оси насоса.
∆hдоп = Ha+ Hs- Hvp- Нк- Нv- Hf-Hi(4.3)
Отсюда Но = -(1,1 ∆hтр - Ha+ Hvp+ Нк+ Нv+ Hf+Hi) или
Но = -(1,1 * 7,0 – 10 + 0,2 +0,1 + 0,1 + 0,3 + 0,6) = -(-1,0) = 1 м.

Требуемый кавитационный запас ΔhTP обычно вычисляют по характеристике, представляемой производителем насоса. Кривая ΔhTP начинается с точки нулевой подачи и медленно растет с увеличением. Когда подача превышает точку наибольшего КПД насоса кривая ΔhTP резко возрастает, по экспоненте. Зона справа от точки максимального КПД обычно является кавитационно опасной. Кавитационный запас не поддается контролю с точки зрения механики, и оператор насосной станции (особенно если он не ознакомлен с характеристиками насосов) улавливает по металлическому шуму и щелчкам уже развитую кавитацию. К сожалению, на рынке слишком мало приборов, позволяющих наблюдать и предотвращать кавитацию. Хотя датчик давления всасывающей стороне насоса, подающий сигнал тревоги при падении давления ниже допустимого для конкретного агрегата, мог бы и должен бы применяться повсеместно.

Многие операторы знают, что звук пропадает после прикрытия задвижки. Но, снижая тем самым подачу и кавитацию, можно не достичь технологических параметров производственного процесса или водоснабжения/водоотведения. Для того, чтобы правильно устранить кавитацию нужно использовать принцип – на входе в насос должно всегда быть жидкости больше, чем на выходе. Вот несколько простых способов как этого достичь:
- замените диаметр всасывающего патрубка на больший;
- переместите насос ближе к питающему резервуару, но не ближе 5-10 диаметров всасывающей трубы;
- понизьте сопротивление во всасывающей трубе, заменой ее материала на менее шероховатый, задвижки на шиберную, характеризующуюся меньшими местными потерями, удалением обратного клапана;
- если всасывающая труба имеет повороты, уменьшите их количество и (или) замените отводы малых на большие радиусы поворота, сориентировав их в одной плоскости (иногда правильно заменить жесткую трубу гибкой);
- увеличьте давление на всасывающей стороне насоса повышением уровня в питающем резервуаре либо снижением оси установки насоса, либо использованием бустерного насоса.

Изложенные способы просты и понятны любому специалисту, но. Рассматриваю недавно проект выполненный авторитетной, проектной организацией и обнаруживаю, что насосы с подачей 1400 м3/ч оборудованы задвижками (рис. 3) диаметрами 400 мм с напорной и 300 мм со всасывающей стороны (!?) «Вы перепутали диаметры» – говорю – «Не может насос, изготавливаемый солидной европейской фирмой, быть выполнен вопреки классическому правилу: всасывающий патрубок должен быть больше напорного!»

Рис. 3. Пример неверной обвязки насос насоса. Диаметр всасывающего патрубка меньше чем напорного.

Оказалось, что патрубки имеют одинаковые диаметры по 300мм. Чем руководствуется насосная фирма догадаться не трудно. С подходящим под данную подачу всасывающим патрубком Ø400 или Ø500 возросли бы размер улитки и цена. Но, если бы проектировщик подсчитал получаемые скорости на входе в насос 5,5 м/с, а за насосом 3,1 м/с, то смог бы убедить заказчика отказаться от насоса, способного кавитировать, хотя и менее дорогого.

Второй пример.

В насосной станции смонтированы агрегаты сухой горизонтальной установки выше уровня воды в приемном резервуаре на 2,8м. Их номинальные параметры: Q=3500 м3/ч, Н=26м, ∆hтр(NPSHR)=7.7м. Насосы кавитируют. Реально они работают в точке Q=3900 м3/ч, Н=24м, где ∆hтр(NPSHR)=8,6м. Диапазон производительности насосной станции 6 000-10 000 м3/ч.

Решение проблемы:

С помощью формулы (4.3) этого параграфа подсчитываем ∆hдоп(NPSHA)=5.8м. Отсюда ∆hдоп<1,1∆hтр=8,5м, что недопустимо, В фактической же точке работы, где разность 1,1∆hтр-∆hдоп=1,1х8,6=3,7 –условия еще жестче.

Рассмотрим два варианта вывода насосов из работы в зоне кавитации:
- Дросселирование напорной линии с помощью регулируемого клапана.
- Увеличение давления на всасывающей стороне, установкой в приемном отделении бустерного насоса.

Вариант 1 (с регулируемым клапаном).
Анализируя характеристики Q-H и Q-∆hтр насоса, находим Q=2000 м3/ч, при котором ∆hтр=3,8м<∆hдоп. Подбираем регулирующий клапан, способный поддерживать давление в напорной линии каждого насоса на уровне 3,5 бар, что соответствует единичной подаче 2000 м3/ч. Строим графики совместной работы трех насосов с тремя клапанами и трубопроводов (рис 4). Три насоса справляются с минимальным притоком 6000 м3/ч.

Вариант 2 (с бустерным насосом).
Из предыдущих расчетов видно, что недостаток напора на всасывающей стороне насоса составляет 3,7 м. Наиболее просто монтируемыми и подходящими для значительных объемов на небольшую высоту являются насосы с осевыми или диагональными рабочими колесами (рис 4,5). Такие агрегаты устанавливаются непосредственно в нагнетательную колонну (в данном случае открытую). Подбираем насос с номинальными параметрами Q=3000 м3/ч, Н=5,5 м, КПД=83%. Строим характеристики работы пары последовательно соединенных насосов (рис. 6) и трех пар последовательно – параллельно соединенных насосов (рис. 7) совместно с водоводом.

Рисунок 4. Графики совместной работы 3-х насосов с регулируемыми клапанами (или одним клапаном на гребенку) и водоводов.

1,2,3-графики одно, двух и трех параллельно работающих насосов соответственно. 4,5,6-графики водоводов с редукционными клапанами (клапаном), поддерживающим давление в системе 3,5 бар при работе одного, 2-х и 3-х насосов соответственно 7-характеристика водовода без дросселирования.

Рис. 5 Погружной осевой насос 1, создающий подпор насосу сухой установки 2.

Пуск существующего насоса осуществляется с задержкой, после того как осевой бустерный агрегат наполнит колонну водой до возможного излива.
Анализ характеристик показывает:
Подача бустерного агрегата (рис. 6) в рабочем диапазоне выше, чем у существующего, что обеспечило стабильный подпор последнему.

Рис. 6 Графики работы последовательно соединенных насосов и водовода

1-характеристика насоса сухой установки 2-совместная характеристика последовательно работающих насосов 3-характеристика водовода.

Рабочая точка двух пар параллельно действующих насосов (рис. 7) соответствует Q=7200 м3/ч, Н=30м и находится в зоне оптимума обоих агрегатов.

Рис. 7. График параллельной работы трех пар последовательно соединенных насосов и водовода

1,2,3-графики работы одной, 2-х, 3-х пар последовательно соединенных насосов, соответственно 4-характеристика водовода.
Требуемый кавитационный запас существующих насосов сухой установки в этой точке ∆hтр=6м
Подсчитываем располагаемый кавитационный запас формуле (4,3):
∆hдоп=10+2,0-0,2-0,2-0,1-0,3-0,6=10,6 м
Отсюда ∆hдоп=10,6>1,1∆hтр=6,6м
Угрозы кавитации нет.

Энергетические затраты по вариантам показывают явное преимущество в использовании бустерных насосов, а денежная разность их (2081 272 руб) сравнима с закупочной ценой за агрегат.
Кроме того установка редукционного клапана не исключит проблем:
Наличие воздуха во всасывающем трубопроводе, следовательно, неустойчивой работы насосов;
Уменьшения ресурса работы подшипниковых узлов и уплотнений (при подаче 2000 м3/чач насос работает на границе ограничения по Qmin, с повышенными осевыми и радиальными силами)
Таким образом, можно оценить целесообразность и эффективность мероприятий по устранению кавитации.

Список литературы:
[1] Bachus L, Custodio A. Know and Understand Centrifugal Pumps.
Elsevier, Oxford, 2003.

Березин С.Е.
ЗАО «Водоснабжение и водоотведение», Москва, Россия

Источник: http://www.agrovodcom.ru/info_kavitatsija_nasosov.php

Причины возникновения и способы устранения кавитации в насосах.

 

содержание   ..  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  ..

 

 

3.13

Кавитация в центробежных насосах

 

 

3.13.1. Сущность кавитационных явлений

 

Кавитация (cavitas - пустота) - процесс образования паровых пузырьков в зоне минимального давления с последующей конденсацией их в зоне повышенных давлений, происходящей под влиянием гидродинамического воздействия.

Явление кавитации наблюдается во всех случаях, когда в какой-либо гидравлической системе происходит падение давления ниже давления  насыщения.

На участке пониженного давления начинается выделение паровых пузырьков, так как упругость паров жидкости при данной температуре оказывается выше давления в этой зоне.

Перемещение потока жидкости с паровыми пузырьками в область, где давление превышает давление парообразования, вызывает интенсивную конденсацию пара. Вследствие мгновенного освобождения объема, занимаемого паром, частицы жидкости, окружающие пузырек пара, устремляются внутрь этого объема с большой скоростью. Происходит кумулятивное воздействие, сопровождающееся мгновенным местным гидравлическим ударом. Совокупность гидравлических ударов приводит к разрушению стенок каналов, к так называемой кавитационной эрозии.

Явление кавитации сопровождается вибрацией установки и шумовыми эффектами.

В центробежных насосах и других лопастных гидромашинах кавитация сопровождается падением подачи, напора, мощности и к.п.д.

В центробежном насосе кавитация возникает на лопатке рабочего колеса обычно вблизи ее входной кромки. Давление здесь значительно ниже давления во входном патрубке, что связано с возрастанием скорости при обтекании лопатки. Неравномерное поле абсолютных скоростей при подходе к лопатке также вызывает падение давления по сравнению со средним на входе. Как показывает опыт, область пониженного давления находится с тыльной стороны входной части лопаток (рисунок 3.22)

Рисунок 3.22

Явления кавитации изучали многие ученые. Наиболее полно этот вопрос разработан в трудах проф. С.С.Руднева.

Рассмотрим схему насосной установки со стороны всасывания (рисунок 3.23).

Рисунок 3.23

Составим уравнение баланса удельной энергии для всасывающего  трубопровода  на участке  от сечения  0-0 до сечения в-в:

,

где  HB - геометрическая высота всасывания - расстояние в приемной емкости до оси насоса;

 - пьезометрический напор во входном патрубке;

 - скоростной напор во входном патрубке;

 - гидравлические потери во всасывающем трубопроводе.

Напор во входном патрубке равен:

.

Этот напор тем больше, чем меньше высота всасывания  и   гидравлические потери .

При снижении напора во входном патрубке может возникнуть кавитация в рабочем колесе, так как скорость на лопатке С1B за счет уменьшения проходного сечения каналов колеса F1 по сравнению с сечением патрубка FB, и, следовательно, давление в этом месте .

Поэтому предлагается иметь так называемый кавитационный запас, который представляет собой превышение полного напора во входном патрубке над упругостью паров жидкости:

,

 - упругость насыщенного пара жидкости.

Кавитация  в центробежных насосах возникает при снижении  давления всасывания ниже допустимого.

Причинами снижения давления всасывания   могут быть:

1)большая высота всасывания 

2)превышение подачи Q, либо числа оборотов n выше допустимого расчетного;

3)повышение температуры перекачиваемой жидкости, что вызывает увеличение упругости насыщенных паров жидкости: .

 

3.13.2 Определение критического кавитационного запаса

Величина кавитационного запаса, при которой начинают проявляться  признаки  явления кавитации называется критической.

Для определения критического кавитационного запаса  проводят кавитационные испытания насоса, при которых для выбранного режима работы насоса снимают кавитационную характеристику (рисунок 3.24).

Рисунок 3.24

 

Допустимое значение кавитационного запаса принимается равным:

.

Пользуясь формулами подобия, проф. С.С.Руднев предложил формулу для определения кавитационного запаса при оптимальном режиме:

,

где - число оборотов вала насоса в минуту;

Q - подача насоса, м3/с (у насоса с колесом двухстороннего всасывания следует подставлять );  С - кавитационный коэффициент быстроходности.

Каждый насос имеет свой коэффициент С, этот коэффициент зависит от коэффициента быстроходности.

 

Таблица 2

50-70

70-80

150-200

800-1200

Шнеки

С

600-750

800

1000-1200

1800-2000

4000

 

3.13.3 Определение допустимой высоты всасывания насоса

Из баланса удельной   энергии   для насосной установки со стороны всасывания (рисунок 3.24) можно определить высоту всасывания:

.

Если вакуумметрическую высоту всасывания обозначить через , то геометрическая высота всасывания будет равна: .  

Вакуумметрическую высоту всасывания выразим через кавитационный запас:

, т.е. .

Вакуумметрическая  высота  всасывания приобретает критическое значение при .

, а допустимое значение ее ,

т.е. .

Следовательно, допустимая высота всасывания равна:

Графическая зависимость  приводится на комплексной характеристике центробежного насоса.

 

3.13.4 Пути повышения кавитационных качеств насоса

Необходимо избегать режимов работы насоса, связанных с возможной кавитацией.

Известны следующие меры, предохраняющие насос от кавитации:

1)     монтажные - снижение гидравлических потерь напора на всасывании путем увеличения диаметра подводящего трубопровода, укорочения его длины, сокращения числа поворотов и других местных сопротивлений, уменьшения высоты всасывания, при перекачке легких нефтепродуктов установка насоса для работы с подпором;

2) конструктивные установка колес двухстороннего всасывания, предварительное закручивание потока на входе путем установки винтовых колес, шнеков и преднасосов; установка   колеса 1-ой ступени с  меньшей быстроходности;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  ..

 

 

 

Источник: http://zinref.ru/000_uchebniki/01600gidravlika/000_gidravlicheskie_mashini_nurutdinov_2007/015.htm
Смотрите далее