5.1. Осевое усилие на валу насоса и методы его устранения

В насосах рассмотренных конструкций вдоль оси вала возникает усилие, направленное в сторону всасывания, вызываемое разностью давлений во входном отверстии колеса и в зазоре между задним диском и корпусом, где жидкость вращается вместе с рабочим колесом, т. е. можно считать, что жидкость находится в покое относительно колеса. Из разд. 2 известно, что при относительном равновесии давление на поверхности изменяется по закону квадратичной параболы. На рис. 5.5 изображены эпюры давления на передний и задний диски рабочего колеса. На правой части рисунка рабочее колесо условно изображено в виде линии, справа от которой задний диск, слева − передний.

Согласно рис. 5.5, площадь эпюры давления справа, а следовательно, и ее объем больше, чем слева, на величину незаштрихованной части. Из подразд. 2.3 известно, что сила давления жидкости на поверхность численно равна объему эпюры давления. Следовательно, результирующая сила, действующая на колесо, должна равняться разности объемов эпюр и направлена вдоль оси. В первом приближении осевую силу можно посчитать по формуле

,

где − диаметр входного отверстия рабочего колеса; и − давление на нагнетательной и всасывающей сторонах насоса.

2

2

2

2

Рис. 5.5. Эпюра давления на диски рабочего колеса

Сила стремится сдвинуть вал в осевом направлении. Для того чтобы этого не произошло, применяют различные способы. У насосов небольшой мощности вал устанавливается на радиально-упорных подшипниках, способных выдерживать осевую нагрузку. В более мощных машинах в заднем диске сверлятся отверстия для уравновешивания давлений в полости между задним диском и во всасывающем отверстии рабочего колеса. Однако этот метод снижает объемный КПД насоса вследствие перетока части жидкости с нагнетательной стороны на всасывающую.

Наилучшим способом в насосах большой мощности является использование рабочих колес с двусторонним всасыванием. Конструкция такого насоса показана на рис. 5.6.

1

3

3

2

Рис. 5.6. Разрез центробежного насоса двустороннего всасывания:

1 – рабочее колесо; 2 – вал; 3 – всасывающие отверстия

Недостаток такой конструкции заключается в том, что вал 2 насоса проходит через всасывающие отверстия 3 колеса, увеличивая тем самым сопротивление движению жидкости на входе в рабочее колесо 1.

5.2. Высота всасывания центробежного насоса Явление кавитации

В разд. 4 были рассмотрены основные параметры работы насосов. Существует еще один параметр − высота всасывания. Наша задача будет заключаться в определении максимальной геометрической высоты всасывания и в выяснении последствий в случае превышения ее над допустимой величиной.

Геометрической высотой всасывания называется расстояние по вертикали от уровня свободной поверхности до центра всасывающего отверстия насоса (см. рис. 4.1). Для решения задачи воспользуемся уравнением Бернулли. Составив баланс энергий для сечений 0−0 и I−I относительно плоскости 0−0, получим

, (5.1)

где − потери на гидравлическое трение во всасывающем трубопроводе.

Из равенства (5.1) находим :

. (5.2)

Согласно уравнению (5.2), максимальная высота всасывания теоретически возможна в случае равенства нулю слагаемых с отрицательными знаками, т. е.

Для нас представляет интерес случай, когда сосуд открыт и . Тогда . В действительности, даже если считать жидкость идеальной и принять , не может быть ниже давления насыщенных паров жидкости. Приняв условие , представим уравнение (5.2) в виде

. (5.3)

Что же произойдет, если давление снизится до или станет меньше его? В этом случае жидкость вскипает, в ней образуются мелкие пузырьки пара, и в насос станет поступать двухфазная парожидкостная смесь. Так начинается процесс кавитации.

Кавитация (от лат. cavitas − пустота) возникает на входных кромках лопаток рабочего колеса, где скорость обтекания их максимальная, а давление − минимальное. По мере движения парожидкостной смеси в полости рабочего колеса давление будет повышаться и в некотором сечении текущее давление окажется выше (рис. 5.7). С этого момента начнется процесс конденсации паров

в

пузырьках, вследствие чего в жидкости образуются пустоты (каверн ы). Образовавшиеся пустоты будут заполняться окружающей их жидкостью. Этот процесс называется еще схлопыванием пузырька.

Движение частиц жидкости к центру каверны происходит со скоростью, достигающей нескольких десятков метров в секунду. При их столкновении кинетическая энергия переходит в потенциальную, в результа- те чего давление в точке столкновения может

достигать сотен атмосфер. Возникает так называемый точечный гидравлический удар. Если схлопывание пузырьков происходит на поверхности элементов рабочего колеса, как

Рис. 5.7. Схема возникновения явления кавитации

правило, на выходных кромках лопаток, то происходит их разрушение. Следует отметить, что это очень упрощенное описание явления кавитации. В действительности оно более сложно, так как сопровождается не только точечными гидравлическими ударами, но и повышением температуры, а присутствие в жидкости растворенного кислорода вызывает дополнительную химическую коррозию металла. Вывод один: работа насоса в кавитационном режиме недопустима.

Начало кавитационных явлений обнаруживается по появлению в насосе характерных шумов, вибраций, падению КПД. Условие возникновения кавитации может быть получено из уравнения (5.3) в виде неравенства

. (5.4)

Допустимая геометрическая высота всасывания также определяется из равенства (5.3) с добавлением к нему запаса на кавитацию  (м ж. ст.):

. (5.5)

Кавитационный запас обусловлен:

− увеличением геометрической высоты всасывания вследствие падения уровня жидкости в резервуаре или водоеме;

− снижением атмосферного давления;

− увеличением температуры перекачиваемой жидкости.

Величина кавитационного запаса рассчитывается по формуле

, (5.6)

где − число оборотов рабочего колеса, об/мин; − объемный расход, м³/с; 800÷1000 для насосов с нормальными кавитационными характеристиками, наиболее часто применяемых в промышленности.

В технологических процессах пищевой промышленности (про-изводство пива, газированных напитков, кваса, лимонадов и т. п.) при перекачивании жидкостей по трубопроводам может возникнуть газовая кавитация. Правда, в отличие от паровой, она не приводит к разрушению поверхности трубопроводов и рабочих органов насосов, но возможность нарушения технологического процесса и снижения качества готового продукта вполне вероятна.

Причиной возникновения газовой кавитации, согласно уравнению (1.15), может быть нарушение равновесного состояния системы жидкость–растворенный газ вследствие изменения либо давления, либо температуры. Очень часто процессы газовой и паровой кавитации происходят одновременно.

В качестве примера газовой кавитации уместно рассмотреть течение напитка, насыщенного диоксидом углерода на участке сужения трубопровода (рис. 5.8). После входа в трубу малого диаметра происходит сжатие потока до сечения , т. е. . Согласно уравнению Бернулли, минимум статического давления приходится на сечение, в котором скорость максимальная. В рассматриваемом случае , поэтому При определенных условиях может возникнуть ситуация, при которой станет равным равновесному давлению, соответствующему значению концентрации в напитке (равновесное давление зависит также от температуры напитка). В этом случае в сечении начинается выделение из напитка пузырьков . Если в дальнейшем не будут созданы условия для повторного растворения газа, то концентрация в напитке окажется меньше требуемой.

I

I

II

6

0

0

v₀

v₁

v₂

II

Рис. 5.8. Схема изменения давления в трубопроводе

при изменении его сечения

Следует также отметить, что газовая кавитация может происходить и в рабочих органах насосов (особенно – динамического типа), перекачивающих газированные жидкости. В этом отношении более предпочтительны безнасосные схемы транспортировки газированных напитков.

Из всего сказанного выше вытекают некоторые рекомендации, способные предотвратить появление кавитации:

− при проектировании насосной установки располагать насос следует так, чтобы всасывающий трубопровод был как можно короче, а местных сопротивлений на нем было как можно меньше;

− скорость движения жидкости во всасывающем трубопроводе не должна превышать 1 м/с;

− геометрическая высота всасывания не должна превышать допустимую величину;

– монтаж трубопроводной сети необходимо вести таким образом, чтобы не возникало резких изменений скорости течения жидкости;

− не допускать нарушений технологических режимов, установ-ленных технологическими регламентами.

П р и м е р. Определить допустимую высоту всасывания насоса, перекачивающего воду температурой 95 С из емкости, сообщающейся с атмосферой.

Исходные данные: м³/ч; м/с; м ж. ст.;  об/мин;  мм рт. ст.; мм рт. ст.

Решение. Находим значение кавитационного запаса:

м ж. ст.

Определяем по уравнению (5.5), предварительно переведя миллиметры ртутного столба (мм рт. ст.) в метры жидкостного столба (м ж. ст.):

м ж.ст.

Таким образом, высота всасывания оказалась отрицательной. Это означает, что для обеспечения безкавитационного режима работы насоса его необходимо расположить ниже уровня жидкости в емкости на 1,9 м, как это показано на рисунке.

Вопросы для самоконтроля

1. Каков принцип действия центробежных насосов? Какие типы центробежных насосов вы знаете?

2. В чем причина возникновения осевого усилия на валу насосов? Какие методы борьбы с ним вы знаете?

3. От чего зависит максимальная высота всасывания насоса?

4. В чем заключается явление кавитации? Каково условие безкавитационного режима работы насоса?