Лабораторная Работа № 23 кавитационные испытания центробежного насоса

Цель работы:

Исследование кавитационных свойств насоса и построение его кавитационной характеристики.

В работе необходимо: на основе эксперимента определить кавитационный запас и кавитационный коэффициент быстроходности центробежного насоса.

Основные теоретические положения

Кавитация – это «холодное» кипение жидкости, возникающее при понижении давления в ней до давления насыщенного пара р_н.п. (при данной температуре).

Примечание: В данной работе исследуются кавитационные свойства насоса при работе его на воде с комнатной температурой, следует иметь в виду, что характеристики жидкости (как и ее температура) существенно влияют на кавитацию. Например, подача криогенных жидкостей чрезвычайно затруднена – они находятся на грани кипения.

Причиной понижения давления может быть общее падение давления в системе или местное. Местное понижение давления чаще всего связано со значительным увеличением скорости потока в какой-либо его точке или области, при котором давление р падает до давления р_н.п. насыщенных паров.

Для элементов гидравлической сети это происходит в местах сужений, поворотов потока, отрыва потока от поверхности твердых тел и др. В насосах кавитация возникает при входе на лопатки рабочего колеса (на верхней части входной кромки), где за счет «захватывания» жидкости лопатками поток ускоряется и возникает разрежение. Чем меньше давление на входе в насос, тем вероятнее появление кавитации. Таким образом, общие факторы, способствующие появлению кавитации в насосах, сводятся к следующим:

- понижение давления на входе в насос;

- повышение температуры перекачиваемой жидкости;

- рост потерь энергии жидкости при обтекании потоком входных кромок лопаток (по причине увеличения их толщины, шероховатости и др.).

Кавитация также может быть вызвана ростом расхода жидкости или числа оборотов вала насоса (в данной работе эти параметры не изменяются).

Кавитация приводит к образованию пузырьков из пара этой жидкости и растворенных в жидкости газов, например воздуха, загромождающих входное сечение колеса, за счет чего падают напор и КПД, производительность насоса. При длительной и глубокой кавитации выходные кромки лопаток колеса и поверхности улитки могут разрушаться, т.к. кавитационные пузырьки, попадая в полость нагнетания (на выход из рабочего колеса), «схлопываются», заполняясь жидкостью с громадным (до несколько километров в секунду) скоростью. Возникает местный гидроудар, который может привести к выкрашиванию частиц металла верхних частей рабочего колеса и внутренних поверхностей корпуса улитки (так называемая кавитационная эрозия). Обычно еще раньше при развитой кавитации происходит срыв подачи.

Кавитационная характеристика насоса, определяемая в работе, представляет собой зависимость напора Н от входного давления , которое при испытаниях понижается. Напор насоса до появления существенно развитой кавитации остается практически постоянным. Лишь при каком-то критическом входном давлении h_вх.кр напор резко падает (рис 23.1). Это означает, что на входе в рабочее колесо достигнуто давление насыщенного пара р_н.п. Испытание проводится при заданных оборотах n. Расход Q поддерживается постоянным (до срыва работы насоса).

Кавитационные качества насоса определят его всасывающую способность. Она оценивается кавитационным коэффициентом быстроходности C_кав:

(23.1)

где n – число оборотов насоса, об/мин;

Q – расход, м³/с;

Δh – критический кавитационный запас, м.

Критический кавитационный запас Δh_кр – это избыточное по отношению к давлению насыщенного пара величина давления на входе, при котором наступает кавитация на входе (резко падает напор – рис. 23.1):

(23.2)

где γ – удельный вес жидкости, Н/м³.

Для насосов с C_кав  600 кавитационные качества оцениваются как плохие (велик требуемый кавитационный запас), для C_кав = 600…1000 – как удовлетворительные, а при C_кав – более 1000 как хорошие.

Меры борьбы с кавитацией, как следует из вышесказанного, сводятся к следующему:

- предотвращение общего для системы и местного падения давления на входе в насос;

- уменьшение гидросопротивления лопаток за счет их утончения, шлифовки, уменьшения числа и т.д. (это сказывается на уменьшение величины Δh_w и Δh_кр);

- ограничения по расходам Q, числу оборотов n и температуре перекачиваемой жидкости.

Рис. 23.1

Чем хуже кавитационные характеристики насоса, тем меньше разность между уровнем входа в насос и уровнем жидкости в емкости, расположенной ниже насоса, из которой насос может подавать (всасывать) жидкость, т. е. тем меньше высота всасывания насоса. Для идеального насоса, у которого кавитационный запас был бы равен нулю, высота всасывания (при атмосферном давлении) была бы теоретически равна 10 метрам. Для реальных насосов она будет тем меньше, чем хуже его кавитационные характеристики и больше температура жидкости. Но ни один ЦБН на поверхности земли не может подавать воду из резервуаров, находящихся ниже насоса на глубине большей 10 метров (без поддавливания).

Описание экспериментальной установки

Стенд для проведения кавитационных испытаний центробежного насоса (рис. 23.2) состоит из бака 1 с водой, задвижки 2 на всасывающем трубопроводе, вакуумметра 3 и манометра 5, центробежного насоса 4, расходомерной шайбы 6 с дифманометром 7 и вентиля 8 на напорной линии.

Рис. 23.2

При проведении работы требуется обеспечивать постоянство заданного расхода и изменение давления на входе в насос 4. Это достигается изменением степени открытия задвижки 2 и вентиля 8.

Порядок выполнения работы

1. На бланке вычертить схему установки (см. рис. 23.2), записать расчетные формулы (23.1), (23.2) и исходные данные: число n оборотов насоса; температуру t ºC рабочей жидкости; расстояние a между осями вакуумметра и манометра; расход Q в системе; удельное давление , соответствующее давлению насыщенных паров; удельное атмосферное давление .

2. Проверить готовность установки к работе: задвижка должна быть полностью открыта, а вентиль на напорной линии – закрыт. Бак заправлен.

3. Включить насос и вентилем 8 установить заданный расход Q по дифманометру 7. При этом устанавливаемые показания дифманометра h определяются по заданному расходу .

4. Не выключая насос, снять показания вакуумметра В и манометра М, поддерживая постоянным величину h, т.е. Q задвижкой 2 и вентилем 8. Определить напор Н насоса, используя равенство:

Н = М + В + а, (23.3)

где а – расстояние по вертикали между осями вакуумметра и манометра.

5. Прикрыть задвижку 2 на некоторую величину, поддерживая ту же величину h по дифманометру 7 с помощью вентиля 8, и снова снять показания В и М.

6. Повторить операции по п. 5 3 – 4 раза до момента срыва работы насоса (резкого падения расхода при полностью открытом вентиле 8).

7. Данные занести в таблицу, построить кавитационную характеристику: Н = f(h_вх) при заданном Q. Найти h_вх.кр.

8. Определить Δh по (23.2), подсчитать С_кав, по (23.1) и сделать выводы о кавитационных свойствах насоса.

Контрольные вопросы

1. Понятие о кавитации, причины её возникновения.

2. Кавитация в ЦБН, причины и следствия.

3. Кавитационная характеристика насоса.

4. Меры борьбы с кавитацией.

5. Принцип действия установки. Способ определения расхода жидкости в данной работе.

Рекомендуемая литература

[1, с. 200-208].